Examen del tema de Electricidad para alumnos de Física y Química de 1º de Bachillerato en la Comunidad Valenciana

Conrado Badenas Mengod

Primera impresión: 22 de marzo de 2000

Copyright © 2000 Conrado Badenas Mengod

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Examen

  1. En el pasado (siglo XVI) se decía que un cuerpo poseía efecto ámbar (ámbar en griego creo que es $ \epsilon$$ \lambda$$ \epsilon$$ \kappa$$ \tau$$ \rho$o$ \nu$) si podía atraer trocitos de papel o plumas. Los cuerpos normales adquirían el efecto ámbar si se frotaban. En la actualidad no se habla del efecto ámbar sino de propiedades eléctricas. Un cuerpo se dice que es neutro si no presenta propiedades eléctricas, y se dice que está cargado si las presenta. Explica porqué los cuerpos normalmente son neutros pero pueden pasar a estar cargados si se frotan. ¿Por qué los cuerpos cargados atraen a los cuerpos neutros si están suficientemente cerca? ¿Por qué cuando un cuerpo neutro toca uno cargado, inmediatamente después se observa a menudo una repulsión entre los dos cuerpos?
  2. ¿De qué forma se puede medir la carga de un cuerpo? Describe un experimento en el que se demuestre el principio de conservación de la carga.
  3. Utilizando una balanza de torsión y manteniendo constantes las cargas, se han obtenido los siguientes pares de valores para la distancia entre cargas (en cm) y módulo de la fuerza (unidades arbitrarias): (5, 120), (10, 30), (15, 13'3), (20, 7'5), (25, 4'8). Construye una gráfica que permita contrastar la hipótesis según la cual el módulo de la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
  4. ¿Con qué fuerza se atraerán dos cargas idénticas de 0'1 C, situadas en el vacío a la distancia de 1 m? ( k = 9×109 N . m2/C2 en el vacío)
  5. ¿Cuál es el módulo del vector intensidad de campo eléctrico a 2 m de una carga de 10-8 C en el vacío? ¿Qué dirección y sentido tiene tal vector intensidad de campo eléctrico?
  6. En cada uno de los ocho vértices de un cubo se sitúa una carga eléctrica. Las ocho cargas son idénticas. Indica todos los puntos del espacio en los que el campo eléctrico es nulo.
  7. Situamos una carga de 100 g y 0'2 C en reposo en un sitio en que el potencial eléctrico es de 10 V y la soltamos de forma que comienza a ser acelerada por el campo eléctrico. ¿Podrá llegar esta carga a un punto en que el potencial eléctrico sea de 20 V? Si la carga pasa por un punto en que el potencial es de -6 V, ¿qué celeridad tiene en ese momento?. ¿Puedes saber la velocidad que tiene?
  8. En un experimento se construye un montaje eléctrico muy simple que consiste en una bombilla pequeña conectada a una pila. La bombilla tiene la inscripción ``Máx. 20 W''. Se pueden elegir 5 tipos de pilas distintas. Se conecta un voltímetro en paralelo a la bombilla y un amperímetro en serie a la bombilla. Cuando en el circuito se van usando cada una de las 5 pilas se obtienen las siguientes lecturas en el voltímetro (en V) y en el amperímetro (en A) respectivamente: (5, 0'07), (10, 0'13), (15, 0'20), (25, 0'33), y (40, 0). Explica los resultados obtenidos. ¿Qué diría Ohm de todo esto? ¿Podrías haber predecido que la intensidad sería 0 A al usar una pila de 40 V? ¿Qué intensidad se medirá ahora si se usa la pila de 5 V?
  9. Un generador eléctrico tiene una fem de 20 V y una resistencia interna de 0'1 $ \Omega$. Se conecta este generador a los bornes de una resistencia de 3'9 $ \Omega$. ¿Qué intensidad circula por la resistencia? ¿Qué ddp existe entre los bornes del generador?
  10. Tienes 4 resistencias de 1 $ \Omega$ cada una. ¿De qué forma unirías (asociarías) estas resistencias para tener una resistencia total de 0'6 $ \Omega$? Indica cuánto calor proporcionaría cada resistencia durante un minuto si esta asociación de resistencias se conectara a una pila de 4'5 V. ¿Con qué resistencia puedes sufrir quemaduras más graves?

Método de evaluación

Se supone que los alumnos están preparados por lo que se explica en clase para responder este examen de manera plenamente satisfactoria. Los alumnos que no hayan trabajado adecuadamente no podrán contestar a todas las preguntas correctamente, y por tanto éstos deberán ser penalizados con extrema dureza. Bastante hay con que los contenidos de 1º de Bachillerato de Física y Química me recuerden los antiguos contenidos de 7º y 8º de EGB de Ciencias Naturales, como para que pasen de rositas personas de 17 años que han elegido voluntariamente estudiar un Bachillerato de la modalidad de Ciencias de la Naturaleza y la Salud, o de Tecnología.

Pienso que cada pregunta puede calificarse con una nota entre 0 y 1, y sin que tenga el profesor miedo a poner uno o varios ceros por examen: lo que no se sabe, no se sabe, y no merece recompensa el no saberlo. Un profesor no debe tener miedo a exigir mucho a sus alumnos, pues si es lo suficientemente bueno entonces sus alumnos responderán adecuadamente.

Los aspectos que se quieren evaluar en cada pregunta son los siguientes:

  1. Saber si el alumno ha entendido la forma en que se hacían los primeros experimentos históricos sobre la electricidad, y cómo los resultados de estos experimentos eran explicados con tres hipótesis simples1:

    1. Hay dos tipos de ``electricidad'' (negativa/positiva, vítrea/resinosa, galliponcia/elefantina, llámesele como se quiera), de manera que cantidades iguales de estos dos tipos se compensan entre sí.
    2. Las ``electricidades'' del mismo tipo se repelen, mientras que las de tipo diferente se atraen.
    3. La ``electricidad'' se mueve por los cuerpos y entre los cuerpos sin que los cuerpos tengan que moverse.
  2. Saber si el alumno entiende que la ``electricidad'' que tiene un cuerpo es cuantificable, que se llama carga, que se puede medir, y cómo se puede medir. Si ha entendido todo eso, entenderá también que es una magnitud física y que tiene unidades, y por tanto habrá entendido el concepto de carga eléctrica. Una vez comprobado que el concepto está claro, la segunda parte de la pregunta tiene como finalidad comprobar si el alumno sabe que la carga no desaparece sino que se mueve, que eso ha sido comprobado experimentalmente, y de qué forma se ha hecho. Para responder a esta pregunta es fundamental que sepa que hay materiales por los que la carga no se mueve nada bien (aislantes).
  3. Comprobar si el alumno es capaz de llegar a conclusiones acerca de la validez o no validez de hipótesis a partir de datos experimentales, aunque la conclusión no sea nada original, y la hipótesis forme parte de una ley (la ley de Coulomb).
  4. Comprobar si el alumno sabe leer, y no ponerse a resolver problemas a lo tonto. Se diría que esta cuestión ``tiene truco'', pero en realidad es tan lícito preguntarla como preguntar: ¿cuánto tiempo tarda en secarse un calcetín bajo la lluvia?.
  5. Saber si el alumno sabe lo que es la intensidad de campo eléctrico, que es un vector, y qué dirección y sentido tiene. Tendrá problemas en responder esta pregunta si no tiene claro el concepto de campo, y es posible que le pregunte al profesor por el valor y posición de la segunda carga (en todos los problemas de fuerzas siempre hay dos o más cargas).
  6. Saber si el alumno tiene una buena representación espacial mentalmente en tres dimensiones que le permita encontrar simetrías a las situaciones (lo cual es una ayuda imprescindible en Física). Si el alumno no tiene esa facilidad, el problema es resoluble a lo bestia, pero incluso en ese caso el alumno debe ser lo suficientemente avispado para trabajar lo menos posible.
  7. Saber si el alumno comprende el concepto de potencial eléctrico en su manifestación más primordial (sin expresiones explícitas del campo potencial): que el potencial es una medida energética, que la el incremento de potencial entre dos puntos no depende del camino seguido para pasar de un punto a otro, y que por tanto no hace falta saber la trayectoria que sigue la carga dentro del campo para conocer su estado energético. También se pretende saber si es capaz de trabajar con consideraciones energéticas para saber si una carga puede acceder a ciertos puntos del espacio, y en caso de que energéticamente sea posible saber qué magnitudes cinemáticas se pueden determinar y cuáles no (y así de paso se repasan conceptos que deberían estar perfectamente asimilados).
  8. Saber si el alumno es capaz de analizar datos experimentales en una situación real (en clase es posible que se haya hablado de la experiencia de Ohm, pero sin que a Ohm se la fundiera la bombilla por no tener cuidado), saber si el alumno conoce la ley de Ohm (y en caso de que no la conozca que pueda descubrirla por él mismo), saber si entiende el concepto de potencia consumida en una resistencia, y que los elementos eléctricos se pueden romper si se intentan utilizar más allá de sus posibilidades. El alumno debería encontrarse cómodo con las palabras voltímetro, amperímetro, serie, y paralelo. También se pretende que el alumno se dé cuenta con este problema de que si se fija en lo que pasa en el mundo y comprende ciertos fenómenos físicos podrá hacer predicciones de lo que puede pasar (y que en ocasiones le pueden salvar de un disgusto, como que se le funda la bombilla).
  9. En realidad, esta cuestión es el problema chorra del circuito y la resistencia, pero se ha incluido el tema de la resistencia interna del generador para que además el alumno se dé cuenta que la fem de un generador eléctrico (pila, batería, etc.) no coincide exactamente con la ddp que suministra a un circuito concreto.
  10. Y aquí tenemos el típico problema de asociación de resistencias, pero redactado de forma que sea totalmente distinto a lo que siempre se cuenta. Aquí el alumno debe mostrar su imaginación (o su constancia probando todas las posibilidades) para montar una asociación de resistencias dadas que tenga un valor concreto. Sólo hay una solución, aunque se pueden encontrar cuatro variantes topológicamente idénticas. Así se comprueba si el alumno tiene capacidad de resolver problemas nuevos a partir de problemas sencillos (las leyes de asociación de dos resistencias). Los alumnos que sepan resolver este problema, tendrán como recompensa el poder calcular el calor producido en cada resitencia (demostrando así que conocen el efecto Joule), y poder llegar a conclusiones de tipo práctico que les permitan salvarse de graves lesiones.

Bibliografía

1
J. BELTRÁN, C. FURIÓ, D. GIL, G. GIL, R. LLOPIS, A. SÁNCHEZ, 1985, 2º Física y Química, (Madrid: Ediciones Anaya, S. A.), 455 págs.

2
J. LERMA, J. ROMERO, 1994, Programación de Física y Química para 1º de Bachillerato (modalidad de Ciencias de la Naturaleza y la Salud), Diari Oficial de la Generalitat Valenciana, 2356 (29 de septiembre), p. 11176

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The command line arguments were:
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Notas al pie

... simples1
Y que superan a las explicaciones del tipo ``simpatía entre cuerpos'' y ``alimento del ámbar''.

Conrado Badenas Mengod 2002-01-07