2 s a i c n e i C
a c i s í F
Diana Paloma Díaz Pérez Avedis Urrutia Odabachian
Secundaria
El libro Ciencias 2 Física fue elaborado en Editorial Nuevo México por el siguiente equipo:
Dirección General de Contenidos Dirección de Ediciones
• Antonio Moreno Paniagua
• Wilebaldo Nava Reyes
Dirección de Investigación y Nuevos Desarrollos Gerencia de Secundaria Gerencia de Arte y Diseño Coordinación de Secundaria
• Iván Vásquez Rodríguez • Humberto Ayala Santiago • José de Jesús Arriaga Carpio
Coordinación de Ciencias Coordinación de Diseño Coordinación de Iconografía
• Lino Contreras Becerril
• Mateo Miguel García
• Carlos A. Vela Turcott
• Nadira Nizametdinova Malekovna
Coordinación de Realización
• Alejo Nájera Hernández
Edición
Iconografía
Teresa Peralta Ferriz Verónica de Jesús Pérez Ávalos
Iván Navarro Juárez
Corrección de estilo
Miguel Ángel Flores Medina
Alma Julieta Núñez Cruz María de Lourdes Guzmán Muñoz María del Carmen Guzmán Muñoz Jorge Álvarez Yáñez Sheila López Cabeza de Vaca Oscar Hernández Mercado
Diseño de portada e interiores
Cartografía y gráficas
Pablo Mijares Muñoz Edición de realización
Gabriela Armillas Bojorges Edición digital
Ilustración
Ricardo Ríos Delgado Jorge Álvarez Yáñez
Stephanie I. Landa Cruz Diagramación
Felicia Garnett Ruiz
Fotografía
Marka personal S.A. de C.V./Juan Carlos Lugo Hernández César López Pérez Jesús Ordóñez Abrín Digitalización de imágenes
María Eugenia Guevara Sánchez Bancos de imágenes
Repositorio global Santillana, Archivo Santillana, Archivo Digital, Photostock, Latinstock, Thinkstock, Wikipedia, Wikimedia, Nasa.gov Procesofoto
La presentación y disposición en conjunto y de cada página de Ciencias 2 Física son propiedad del editor. Queda estrictamente prohibida la reproducción parcial o total de esta obra por cualquier sistema o método electrónico, incluso el fotocopiado, sin autorización escrita del editor. © 2012 por Diana Paloma Díaz Pérez y Avedis Urrutia Odabachian D. R. © 2012 por EDITORIAL NUEVO MEXICO, S. A. de C. V. Avenida Río Mixcoac 274, colonia Acacias. C. P. 03240, delegación Benito Juárez, México, D. F.
Edición: diciembre 2012
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 3012 Impreso en México/Printed in Mexico
Presentación En este libro abordaremos temas de física muy diversos, algunos referentes a cuestiones que la humanidad se ha planteado desde hace milenios, y otras acerca de descubrimientos actuales. Se presentan, como un primer acercamiento, algunas de las principales ideas que han permitido el desarrollo de la física. En algunos casos, también se incluye el contexto histórico con la intención de mostrar parte de las necesidades sociales y científicas que motivaron el estudio de los fenómenos y de los conceptos aquí abordados. Las actividades que se incluyen no requieren de la solución de fórmulas algebraicas complejas o la memorización de definiciones, sino de la asimilación y razonamiento de los temas. No obstante, algunas de las fórmulas más importantes relacionadas con los temas se podrán encontrar reunidas en un formulario, al final del libro. Es necesario que el alumno identifique las necesidades de la sociedad en que vivimos (figura 1), que desarrolle habilidades que le permitan resolver diferentes situaciones en su entorno, que esté preparado para entender diversos conceptos al buscar información y a desarrollar por sí solo acciones y proyectos que le permitan involucrarse de manera activa en su comunidad. Debido a la gran oferta de medios de información con la que la mayoría de los alumnos están en contacto, es cada vez más importante poner énfasis en acciones que lleven al alumno a formar un criterio propio para distinguir la información científica de aquella que no se puede confirmar o no cuenta con el respaldo de instituciones académicas. El entendimiento y el manejo de nuevos conceptos sirven al alumno como herramientas para la solución de problemas que se les planteen en su vida diaria y en su futuro desarrollo profesional. El estudio de la física no sólo es una actividad que impulsa y estimula la imaginación y el pensamiento crítico, también nos ayuda a entender la lógica que gobierna las cosas que nos rodean. Es un ejemplo de cómo el trabajo conjunto de muchas personas de diversas épocas y nacionalidades han permitido mejorar nuestra calidad de vida. En la física las ideas se respaldan con argumentos y se ponen a prueba de tal forma que puedan ser verificadas o enriquecidas por cualquiera que lo desee. Este libro pretende dar un panorama amplio de algunos temas que conciernen a la física, de manera que los alumnos puedan conocer un poco de la historia de su desarrollo y de los descubrimientos que se han hecho a lo largo de muchos siglos de estudio. Esperamos que puedan utilizar esta información en cualquier actividad profesional que desarrollen más tarde, así como para divertirse y asombrarse. Los autores
Figura 1. Una de las principales necesidades de la sociedad es la obtención de energía eléctrica de manera limpia; a ello contribuye la energía eólica.
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Presentación para el alumno El libro que tienes en las manos te presenta una introducción a una ciencia muy extensa e interesante: la física. Al instruirte en ella serás capaz de responder preguntas que tal vez te has planteado referentes a fenómenos naturales. Por ejemplo, ¿qué es un arcoíris?, ¿por qué se forma la escarcha?, entre otras tantas. La física es una de las ciencias más antiguas, se encarga de estudiar algunos de los fenómenos de la Naturaleza, es por ello que antiguamente se le llamaba filosofía de la Naturaleza. Esta ciencia trata de describir fenómenos de manera general a partir de reglas lo más sencillas posibles. En tu educación primaria estudiaste algunos de los fenómenos concernientes a esta ciencia, por ejemplo, los movimientos de rotación y traslación de la Tierra, los eclipses de Sol y de Luna, entre otros. Ahora, con este curso ampliarás tu conocimiento del funcionamiento de la Naturaleza. Asimismo, podrás comprender mejor cómo funcionan algunos artefactos de uso cotidiano, por ejemplo, por qué se le pone aceite a los automóviles, cómo funcionan las máquinas de ultrasonido, etcétera. Como verás, el estudio de la física abarca una enorme variedad de fenómenos naturales, es por ello que se divide en diferentes ramas. Algunas de ellas son:
Mecánica: Estudia las leyes y principios del equilibrio y movimiento de los cuerpos, así como sus causas y efectos.
Termodinámica: Estudia el calor, sus transformaciones y efectos, así como la relación de los sistemas microscópicos con efectos macroscópicos.
Electromagnetismo: Estudia los fenómenos relacionados con los campos eléctricos y magnéticos.
Óptica: Estudia los fenómenos relacionados con la luz, fenómenos ondulatorios y de naturaleza cuántica (figura 2).
Acústica: Trata la producción, control, transmisión, recepción y audición de los sonidos y también de los ultrasonidos. Figura 2. Cuando la luz blanca atraviesa un prisma de cr istal, se descompone en diferentes colores: el espectro visible.
Astronomía: Estudia los cuerpos celestes, su composición, naturaleza, movimiento y propiedades. En la actualidad y en los últimos siglos, la física ha jugado el papel central en la conformación del estilo de vida debido a su aplicación en los medios de transporte, medios de comunicación y cuidado de la salud.
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Una característica propia de la ciencia, no solo de esta materia, es que a pesar de que muchas veces la comunidad, y aun los mismos investigadores, pueden tener ideas u opiniones encontradas acerca de algunos fenómenos, las ideas que son respaldadas con evidencia científica son las que prevalecen con el paso del tiempo. A lo largo del libro encontrarás que antes de desarrollar los temas se plantean situaciones que podrás considerar interesantes (figura 3) y que despierten en ti curiosidad por encontrarles explicación, o algunas otras inquietudes que tengas relacionadas con el tema. Recuerda que en la ciencia las preguntas son tan importantes como las respuestas, ya que a partir de ellas empieza la aventura del conocimiento. Conforme se desarrollan los temas te encontrarás con actividades que te ayudarán a reforzar los conocimientos que adquieras en el transcurso de las lecciones, ya que una manera de aprender es realizando tú mismo actividades que desafíen tu intelecto, curiosidad y capacidad de razonamiento. El libro está dividido en cinco bloques y, hacia la parte final de cada uno, tendrás la oportunidad de elaborar un proyecto relacionado con un tema de tu interés. Deberás planearlo en equipo a lo largo de cada bimestre, además, podrás comunicar tus resultados al resto de tu grupo, tu escuela e incluso al resto de tu comunidad.
Figura 3. Al estudiar el bloque 5 descubrirás que en el Universo existen cuerpos muy interesantes y gigantescos, por ejemplo, las nebulosas como la que se muestra en esta imagen.
El proyecto pretende que vivas una experiencia similar a la que desarrolla la ciencia actualmente, la cual requiere de trabajo conjunto; muchas investigaciones se llevan a cabo entre personas que trabajan en distintas partes del mundo. De igual manera, parte fundamental de la investigación es la comunicación de resultados, esto permite que las experiencias y conocimientos sirvan a otras investigaciones. El principal instrumento para descubrir cosas nuevas es la imaginación; esta, desde luego, debe ser guiada por los conocimientos científicos que existen en la actualidad y enriquecida con las ideas de otras personas interesadas en el mismo tema. Cuando encuentres algún tema del que quieras saber más, puedes recurrir a la parte final del libro donde encontrarás una lista de libros, páginas de Internet y documentales que te sugerimos consultar para profundizar en los temas que más llamen tu atención. Esperamos que los temas que se desarrollan de manera introductoria en este libro te sean útiles y atractivos. Los autores 5
Presentación para el maestro Este libro pretende brindarle al profesor una herramienta que permita el desarrollo de los temas de manera entendible y amena para el desarrollo de la clase, facilitando así la labor docente. En la exposición de los temas se brinda información actual del papel que desempeña la física en el progreso tecnológico y en el cuidado de la salud. La intención de este libro es que el alumno, más que memorizar conceptos o fórmulas, los pueda entender y relacionar con su vida cotidiana, el avance de la ciencia, la tecnología y la cultura. Algunos de los temas que aquí presentamos son objeto de investigación actual, su inclusión tiene el objetivo de brindar un panorama más amplio de lo que estudia esta ciencia. Uno de los énfasis de este libro es que (figura 4) la ciencia tiene un carácter inacabado y continuamente crece gracias a las aportaciones de numerosos investigadores alrededor del mundo, además que su estudio resulta muy útil en el desarrollo de la sociedad. Figura 4. Antiguamente se creía que el Sol giraba alrededor de la Tierra; posteriormente se propuso el modelo heliocéntrico (la Tierra gira alrededor del Sol), el cual se ilustra en la imagen.
Al principio de cada tema se plantea una situación cuya intención es despertar el interés del grupo en el estudio de los contenidos desarrollados a lo largo de la secuencia. Así, el inicio de cada secuencia presenta una oportunidad para invitar a los alumnos a expresar cómo imaginan que se presentan algunos fenómenos físicos y comentar las explicaciones que se les ocurran. De igual manera, es importante fomentar en el alumno el pensamiento crítico y la elaboración de hipótesis, así como su corroboración y la discusión abierta utilizando ideas y argumentos. Como parte de la formación científica, los alumnos deben identificar que es igual de importante plantear preguntas que responderlas; de esta manera, es fundamental alentar a los alumnos a que expresen sus dudas y a escuchar las de los demás de manera respetuosa, como parte fundamental del desarrollo y el aprendizaje de la ciencia. Asimismo, es importante fomentar el trabajo colaborativo ya que es en esta forma como se desarrolla la ciencia actualmente. El trabajo colectivo de personas con distintas ideas puede ser una oportunidad para desarrollar habilidades que le permitan valorar las ideas de los demás y ejercitar la toma de decisiones de manera autónoma. Se debe explicar a los alumnos que no es necesario que ni ellos ni el profesor conozcan todo sobre el tema, sino que reconozcan algunos conceptos clave e identifiquen las fuentes de información respaldadas, así como enfatizar el carácter inacabado de la ciencia, también los alcances y limitaciones de los modelos y teorías existentes. En este libro se propone que los alumnos elaboren cinco proyectos, con estas actividades se pretende fortalecer las habilidades y valores para realizar un trabajo en equipo que le permita al alumno planear y elaborar materiales bibliográficos, experimentos, dispositivos físicos caseros, entre otros, así como analizar y comunicar sus resultados a la comunidad por medio de distintos recursos.
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La elaboración de los proyectos brinda una oportunidad para desarrollar y fortalecer actitudes, valores y habilidades que el alumno pueda poner en práctica en sus actividades profesionales futuras sin importar el área del conocimiento en la que se desarrolle. Como apoyo a la labor docente presentamos una bibliografía sugerida en la parte final del libro, también se incluyen páginas de Internet y videos documentales que pueden ser de ayuda para el desarrollo de las clases. Es importante recalcar la relación de los temas que se exponen a lo largo de las secuencias con situaciones de la vida cotidiana, de esta manera los alumnos valorarán la importancia de la física en la vida actual, tanto los conceptos teóricos como las aplicaciones prácticas (figura 5). Las actividades tienen como objetivo que el alumno desarrolle habilidades más allá de la solución de problemas de conocimiento teórico, que le hagan posible ampliar y fortalecer algunas otras herramientas, así como fomentar el pensamiento crítico y le permitan identificar el valor de las evidencias y la exposición de sus ideas ante otros. Es necesario propiciar un ambiente apto para que los alumnos expresen sus dudas, esto se puede lograr enfatizando la importancia de plantear preguntas para que sienta confianza de hacerlo y valore su importancia para resolver problemas. El desarrollo de los temas tiene un enfoque que permitirá al alumno conocer que la física se ha construido con la intención de resolver preguntas que se ha planteado el ser humano y en la búsqueda de mejores explicaciones de los fenómenos de la Naturaleza. De esta forma el papel del profesor no solo será permitir el conocimiento, algunas veces deberá tomar el papel del moderador en las discusiones y exposiciones de ideas y dudas. De igual manera, deberá guiar al alumno a expresar de manera adecuada sus preguntas y opiniones y algunas veces lo supervisará en la realización de experimentos que permitan el fortalecimiento de los aprendizajes esperados. Ayudará a los alumnos a que realicen sus proyectos, fomentará las actividades que permitan congregar a los padres de familia y otros miembros de la comunida d para difundir sus resultados y coordinará la presentación de los proyectos, ya sea en periódicos murales, en carteles o en aplicaciones prácticas.
Figura 5. Una de las primeras aplicaciones prácticas de la Física fue la orientación de las estrellas con el uso del astrolabio.
Esperamos que este libro sea una herramienta que apoye la importante labor de los profesores que son quienes impulsan a los alumnos en la formación de las bases de sus primeros conocimientos científicos. Los autores 7
Índice Presentación Presentación para el alumno Presentación para el maestro Conoce tu libro
3 4 6 12
Interpretación y representación de gráficas: velocidad-tiempo y aceleración-tiempo
La descripción de las fuerzas en el entorno
Bloque 1 La descripción del movimiento y la fuerza
16
El movimiento de los objetos
Marco de referencia y trayectoria; diferencia entre desplazamiento y distancia recorrida
8
18
Velocidad: desplazamiento, dirección y tiempo
22
Interpretación y representación de gráficas posición-tiempo
24
Movimiento ondulatorio, modelo de ondas, y explicación de características del sonido
El trabajo de Galileo
18
Explicaciones de Aristóteles y Galileo acerca de la caída libre
48 52
La fuerza; resultado de las interacciones por contacto (mecánicas) y a distancia (magnéticas y electrostáticas), y representación con vectores
52
Fuerza resultante, métodos gráficos de suma vectorial
58
Equilibrio de fuerzas; uso de diagramas
64
Proyecto: imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar
68
Evaluación tipo PISA
76
Bloque 2 30
Leyes del movimiento
80
La explicación del movimiento en el entorno
82
38
38
Aportación de Galileo en la construcción del conocimiento científico
42
La aceleración; diferencia con la velocidad
44
Primera ley de Newton: el estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme. La inercia y su relación con la masa
82
Segunda ley de Newton: relación fuerza, masa y aceleración. El newton como unidad de fuerza Tercera ley de Newton: la acción y la reacción; magnitud y sentido de las fuerzas
Efectos de las fuerzas en la Tierra y en el Universo
Gravitación. Representación gráfica de la atracción gravitacional. Relación con caída libre y peso Aportación de Newton a la ciencia: explicación del movimiento en la Tierra y en el Universo
Bloque 3 84
118
90
90
96
Energía mecánica: cinética y potencial
98
Transformaciones de la energía cinética y potencial
Los modelos en la ciencia
98
116
88
La energía y el movimiento
Un modelo para describir la estructura de la materia
102
Principio de la conservación de la energía
Proyecto: imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar
Evaluación tipo PISA
104
106
112
118
Ideas en la historia acerca de la naturaleza continua y discontinua de la materia: Demócrito, Aristóteles y Newton; aportaciones de Clausius, Maxwell y Boltzmann
120
Aspectos básicos del modelo cinético de partículas: partículas microscópicas indivisibles, con masa, movimiento, interacciones y vacío entre ellas
124
La estructura de la materia a partir del modelo cinético de partículas
Características e importancia de los modelos en la ciencia
128
Las propiedades de la materia: masa, volumen, densidad y estados de agregación
128
Presión: relación fuerza y área; presión en fluidos. Principio de Pascal
134
Temperatura y sus escalas de medición
138
Calor, transferencia de calor y procesos térmicos: dilatación y formas de propagación
140
9
Cambios de estado; interpretación de gráfica de presión-temperatura
Energía calorífica y sus transformaciones
144
Transformación de la energía calorífica
150
Equilibrio térmico
154
Transferencia del calor: del cuerpo de mayor al de menor temperatura
156
Principio de la conservación de la energía Implicaciones de la obtención y aprovechamiento de la energía en las actividades humanas
158
Características básicas del modelo atómico: núcleo con protones y neutrones, y electrones en órbitas. Carga eléctrica del electrón
182
Efectos de atracción y repulsión electrostáticas
184
Corriente y resistencia eléctrica. Materiales aislantes y conductores
188
160
Proyecto: imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar
164
Evaluación tipo PISA
170
Los fenómenos electromagnéticos y su importancia
Bloque 4
10
176
150
Proceso histórico del desarrollo del modelo atómico: aportaciones de Thomson, Rutherford y Bohr; alcances y limitaciones de los modelos
Manifestaciones de la estructura interna de la materia
174
Explicación de los fenómenos eléctricos: el modelo atómico
176
192
Descubrimiento de la inducción electromagnética: experimentos de Oersted y de Faraday
192
El electroimán y aplicaciones del electromagnetismo
196
Composición y descomposición de la luz blanca
200
Características del espectro electromagnético y espectro visible: velocidad, frecuencia, longitud de onda y su relación con la energía
204
La luz como onda y partícula
208
La energía y su aprovechamiento 212
Manifestaciones de energía: electricidad y radiación electromagnética Obtención y aprovechamiento de la energía. Beneficios y riesgos en la Naturaleza y la sociedad Importancia del provechamiento de la energía orientado al consumo sustentable
Proyecto: imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar
Evaluación tipo PISA
212
216
220
224
230
Bloque 5 Conocimiento, sociedad y tecnología
234
Teoría de “La Gran Explosión”; evidencias que la sustentan, alcances y limitaciones
Astronomía y sus procedimientos de investigación: observación, sistematización de datos, uso de evidencia
246
Interacción de la tecnología y la ciencia en el conocimiento del Universo
248
252
Evaluación tipo PISA
260
Formulario
264
Fuentes de información
268
236
240
Proyecto: imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar
El Universo
Características de los cuerpos cósmicos: dimensiones, tipos; radiación electromagnética que emiten, evolución de las estrellas; componentes de las galaxias, entre otras. La Vía Láctea y el Sol
Para el alumno Para el maestro Consultadas para la elaboración de este libro
268 270 271
236
11
Conoce tu libro » Entrada de bloque En estas dos páginas, mediante textos e imágenes encontrarás los siguientes elementos: La descripción del movimiento y la fuerza
Introducción al contenido. Competencias que se favorecen durante el estudio de la asignatura. Aprendizajes esperados para cada uno de los contenidos desarrollados.
La caída libre se aprovecha en muchos tipos de actividades, como el paracaidismo.
En este curso de Física identificarás palabras que tienen un significado diferente en esta materia que en lenguaje común, por ejemplo: energía, velocidad, peso, etcétera. Además, aplicarás lo que has estudiado en tus cursos de matemáticas al expresar cantidades de una manera que no sea en números. En este bloque estudiarás algunas propiedades del movimiento de los cuerpos. Conocerás más acerca de las ideas que se tenían en la Antigüedad sobre el movimiento de los cuerpos y su naturaleza, los distintos tipos de fuerza, cómo representarlas y algunos métodos gráficos para sumarlas.
Competencias que se favorecen • Comprensión de fenómenos y procesos naturales desde la perspectiva científica. • Comprensión de los alcances y limitaciones de la ciencia y del desarrollo tecnológico en diversos contextos. • Toma de decisiones informadas para el cuidado del ambiente y la promoción de la salud orientadas a la cultura de la prevención.
Aprendizajes esperados
Este curso de física también contribuirá a reforzar las competencias para la formación científica básica. Estas competencias forman parte del enfoque didáctico, guardan estrecha relación con los propósitos y los aprendizajes esperados y contribuyen a la consolidación de las competencias para la vida y al logro del perfil de egreso.
Situación detonante del aprendizaje cuya función es introducirte en el estudio del contenido. Incluye preguntas para que identifiques tus conocimientos ya adquiridos.
17
Tema
2
Los fenómenos electromagnéticos y su importancia Descubrimiento de la inducción electromagnética: experimentos de Oersted y de Faraday
o i c i n I
Algunas bicicletas tienen dinamos (figura 4.30), que emplean el movimiento de las ruedas para crear una corriente eléctrica que enciende un foco para iluminar el camino. • ¿Sabes cómo se relaciona el movimiento con la generación de energía eléctrica? • ¿Qué quiere decir electromagnético? • ¿Sabes cómo se relacionan la electricidad y el magnetismo?
o l l o r r a s e D
Figura 4.30. Bicicleta con dinamos.
Desarrollo Incluye la explicación teórica del contenido y actividades encaminadas a que consolides los aprendizajes esperados del mismo, para que al finalizar bloque tras bloque se alcancen las competencias favorecidas.
Figura 4.31. AlessandroVolta (1745-1827).
A finales del siglo XVIII, la comunidad científica estaba interesada en la generación de la energía eléctrica a pesar de no conocer el gran potencial que tenía su aplicación en las actividades humanas. En esa época, la única forma de obtener energía eléctrica de manera continua era con la pila, un invento del científico italiano Alessandro Volta (figura 4.31). El funcionamiento de los motores de las máquinas era impulsado por vapor de agua o la fuerza de hombres y animales. Mientras que la iluminación de las ciudades se producía con aceites y velas. Hubo dos experimentos que revelarían gran parte de la naturaleza de las fuerzas eléctricas y magnéticas. Estos experimentos, además, demostraron que ambas fuerzas estaban relacionadas, dando inicio a una era de nuevos inventos y tecnologías que aplicaban la electricidad para iluminar y mover la maquinaria necesaria en muchas de las actividades humanas. En 1819, el físico danés Hans Christian Oersted, durante una clase, quizá por accidente, acercó una pequeña brújula a un cable conectado a una batería que le suministraba corriente. Oersted observó un efecto inesperado: la aguja dejó de apuntar hacia el polo norte magnético terrestre y giró hasta colocarse perpendicular al cable. También observó que cuando invertía el sentido de la corriente también se invertía la dirección de la aguja (figura 4.32).
Figura 4.32. La brújula cambiaba de dirección cuando se cambiaba la dirección de la corriente.
Este fue el primer indicio de que dos fuerzas, que hasta entonces se creían separadas, la electricidad y el magnetismo, estaban relacionadas: una corriente eléctrica producía un efecto magnético capaz de desviar la aguja de una brújula al igual que lo haría un imán. Cabe mencionar que, a diferencia del comportamiento que se observa entre dos imanes, la aguja no era atraída ni repelida por el cable, solo desviaba la dirección en la que apuntaba.
192 Bloque 4 Manifestaciones de la estructura interna de la materia
12
movimientos, a partir de datos que obtiene en experimentos y/o situaciones del entorno. • Describe la fuerza como efecto de la interacción entre los objetos y la representa con vectores. • Aplica los métodos gráficos del polígono y paralelogramo para la obtención de la fuerza resultante que actúa sobre un objeto, y describe el movimiento producido en situaciones cotidianas. • Argumenta la relación del estado de reposo de un objeto con el equilibrio de fuerzas actuantes, con el uso de vectores, en situaciones cotidianas. • Trabaja colaborativamente con responsabilidad, solidaridad y respeto en la organización y desarrollo del proyecto. • Selecciona y sistematiza la información que es relevante para la investigación planteada en su proyecto. • Describe algunos fenómenos y procesos naturales relacionados con el movimiento, las ondas o la fuerza, a partir de gráficas, experimentos y modelos físicos. • Comparte los resultados de su proyecto mediante diversos medios (textos, modelos, gráficos, interactivos, entre otros).
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Los bloques están integrados por temas y estos a su vez por subtemas, los cuales se desarrollan en tres etapas:
Inicio
• Interpreta la velocidad como la relación entre desplazamiento y tiempo, y la diferencia de la rapidez, a partir de datos obtenidos de situaciones cotidianas. • Interpreta tablas de datos y gráficas de posicióntiempo, en las que describe y predice diferentes movimientos a partir de datos que obtiene en experimentos y/o de situaciones del entorno.
• Describe características del movimiento ondulatorio con base en el modelo de ondas: cresta, valle, nodo, amplitud, longitud, frecuencia y periodo, y diferencia el movimiento ondulatorio transversal del longitudinal, en términos de la dirección de propagación. • Describe el comportamiento ondulatorio del sonido: tono, timbre, intensidad y rapidez, a partir del modelo de ondas. • Identifica las explicaciones de Aristóteles y las de Galileo respecto al movimiento de caída libre, así como el contexto y las formas de proceder que las sustentaron. • Argumenta la importancia de la aportación de Galileo en la ciencia como una nueva forma de construir y validar el conocimiento científico,con base en la experimentación y el análisis de los resultados. • Relaciona la aceleración con la variación de la velocidad en situaciones del entorno y/o actividades experimentales. • Elabora e interpreta tablas de datos y gráficas de velocidad-tiempo y aceleración-tiempo para describir y predecir características de diferentes
Por ejemplo, la energía potencial de un objeto de 2 kg que se encuentra a una altura de 3 m con respecto al marco de referencia es: E p = mgh = (2 kg)(9.8
m )(3 s2
m) = 58.8 joules
En el juego del parque de diversiones de la actividad inicial se puede observar que, mientras los usuarios van descendiendo, tienen una energía cinética asociada por estar en movimiento; además, tienen una energía potencial asociada por estar a cierta altura sobre el suelo, que es el marco de referencia. La energía mecánica es la suma de la energía potencial y cinética. Por ejemplo, si en un cuerpo tiene una energía cinética de 3 joules y una energía potencial de 4 joules, entonces su energía mecánica es de 7 joules.
Para concluir
C i e r r e
Observa la siguiente secuencia de una niña en un columpio (figura 2.29). Compara las energías, potencial y cinética, de la niña. Supón que no hay fricción y que la niña no se impulsa por sí misma. a)
b)
c)
d)
Cierre Actividad que puede ser de lectura para la reflexión, o experimental, cuya función es que consolides los aprendizajes esperados a través de la socialización del conocimiento entre los integrantes del equipo o en todo el salón de clases, generalmente mediante un producto.
Figura 2.29. Recorrido en un columpio.
Completa la siguiente tabla ordenando de menor a mayor según la energía de cada cuerpo. Tabla 2.5. Energía en cada trayecto en el columpio. Energía cinética Energía potencial
Compara tus respuestas con las de tus compañeros y, con la guía del profesor, comenten en qué se fijaron para comparar las energías de los cuerpos.
101 Tema 3 La energía y el movimiento
Glosario galvanómetro. Instrumento que mide la intensidad de pequeñas corrientes eléctricas.
Después, Faraday se preguntó, al igual que muchos científicos de su época, si era posible obtener el efecto opuesto, es decir, ¿era posible obtener electricidad solo con un cable y un imán? Algunos científicos habían notado que al acercar un imán a un cable conectado a un galvanómetro la aguja del mismo se movía por un instante. Esto indicaba la presencia de una pequeña corriente. Faraday pensó que la corriente instantánea que se presentaba, dependía de la longitud del alambre que tenía contacto con el ca mpo magnético, razón por la cual ideó un dispositivo.
En el desarrollo encontrarás varios apartados:
Figura 4.37. Galvanómetro.
Glosario. Incluye la definición de conceptos complejos que se presentan en el texto, sean términos físicos o relativos a otras disciplinas, todo con la finalidad de esclarecer el desarrollo del contenido al máximo.
Ciencia a la mano Explora los alcances de la ciencia y la tecnología en la vida cotidiana relacionados con el contenido expuesto, como reflejo de la ciencia.
Figura 4.38. Experimento con el que Faraday indujo una corriente eléctrica mediante una bobina.
Tomó un cable aislado con tela y lo enrolló, es decir, formó una bobina y conectó ambos extremos del cable a un galvanómetro, como se muestra en la figura 4.38. Después, introdujo y sacó un imán de barra en la bobina. Faraday identificó que el movimiento del imán producía que el galvanómetro detectara pequeñas corrientes, a este fenómeno se le conoce como inducción electromagnética. Posteriormente, mejoró su dispositivo. Al girar una manivela, se hacía girar el imán de manera continua dentro de la bobina, así logró producir una corriente continua.
Bobina
Ciencia a la mano
Imán
Hoy en día existen diferentes tipos de plantas generadoras de energía eléctrica: hidroeléctricas, termoeléctricas, nucleoeléctricas (figura 4.39), eólicas y mareomotrices. Todas ellas generan electricidad a partir de la inducciónelectromagnética descubierta por Faraday. Lo que las distingue es la energía a partir de la cual se hacen girar las turbinas del generador.
Galvanómetro
Los descubrimientos sobre la inducción de Faraday sentaron las bases para el desarrollo de tecnologías de motores y generadores con los que hoy es posible aprovechar el movimiento, por ejemplo, causado por el viento para crear corrientes eléctricas. Figura 4.39. En las plantas nucleoeléctricas se aprovecha la energía nuclear del plutonio para evaporar agua, el vapor hace girar las turbinas del generador.
Así, se dio origen a una nueva rama de la física: el electromagnetismo, una no puede existir sin la otra. Una corriente eléctrica siempre producirá un ca mpo magnético a su alrededor y, a su vez, un campo magnético en movimiento siempre inducirá una corriente eléctrica.
194 Bloque 4 Manifestaciones de la estructura interna de la materia
13
Gracias a que siguió procedimientos específicos para realizar sus experimentos, fue capaz de reproducirlos las veces suficientes como para clasificar los resultados obtenidos como confiables. Galileo aplicó este método a diferentes experimentos, lo cual le permitió descubrir cosas nuevas, más allá de lo que podía ver con sus ojos o lo que le indicaba su intuición. Algunas veces nuestra intuición puede estar equivocada, pero el pensamiento lógico y la experimentación pueden ayudarnos a corregir nuestros errores y a enriquecer nuestro conocimiento sobre bases sólidas. Llegar a conocer todo lo que se sabe hasta ahora sobre los fenómenos que nos rodean ha sido un proceso en el cual, primero, se han hecho muchas suposiciones hasta, finalmente, poder comprobar con experimentos o simulaciones. Por ejemplo, primero se descubrió que hay más planetas además de la Tierra, después se descubrieron las lunas de Júpiter y finalmente se hicieron los cálculos para conocer la manera en que se mueven. Cada nuevo descubrimiento tiene detrás muchos otros que lo hacen posible y que permitirán realizar otros nuevos. Aún hoy en día, en algunos campos, las explicaciones de los científicos no coinciden plenamente con las observaciones. La ciencia está siempre en busca de mejorar teorías y experimentos más precisos. La construcción del conocimiento se hace cada día en todo el mundo, algunas veces movida por la curiosidad humana y otras más por la necesidad de resolver problemas que aquejan a la sociedad.
Conexión En 1971, el comandante de la misión Apolo XV, David R. Scott, llevó hasta la superficie de la Luna un martillo y una pluma, y como homenaje a Galileo dijo:
Conexión
“Una de las razones por las que estamos aquí, tiene que ver con un caballero llamado Galileo, quien hace mucho tiempo hizo un importante descubrimiento acerca de la caída de los objetos”.
Sugerencias de utilización práctica y pertinente de recursos bibliográficos multimedia o computacionales vinculados a los contenidos trabajados, como herramienta para el aprendizaje.
El astronauta dejó caer al mismo tiempo ambos objetos, los cuales tocaron el suelo lunar al mismo tiempo. El comandante exclamó en tono de broma: “¿Qué les parece?, ¡el señor Galileo tenía razón!” En la siguiente página puedes encontrar más información sobre misiones espaciales que se han logrado gracias al conocimiento científico. http://www.lanasa.net/
Actualmente, muchos científicos trabajan para encontrar la forma de producir energía eléctrica que no dañe el medio ambiente y que se asegure el suministro a las futuras generaciones.
Para concluir Yo decido
Reúnete con otro compañero y juntos contesten las siguientes preguntas. Si dejan caer al mismo tiempo una hoja de papel extendida y una moneda, ¿cuál llegará al suelo primero? Argumenten su respuesta. Si comprimen la hoja de papel y vuelven a soltar los dos objetos, ¿qué sucedería? Argumenten su respuesta.
¿De qué manera pueden comprobar sus argumentos? Imagínense que viven en la época de Aristóteles. ¿Cambiarían sus argumentos? ¿En qué les ayudaría lo que saben sobre el trabajo de Galileo para demostrar sus ideas? Realicen lo necesario para comprobar sus teorías. Compartan con el grupo sus experiencias.
C i e r r e
Encontrar una solución para evitar, frenar o revertir el calentamiento global ha sido una de las arduas tareas de los científicos. Hasta el momento es una lucha en la que cada ser humano debe contribuir. ¿Qué consecuencias para la vida genera el calentamiento global?
Yo decido Te orienta hacia la toma de decisiones informada sobre muchos de los problemas de contaminación ambiental, desarrollo sustentable y de la salud.
¿Tú qué haces para ayudar a combatir el calentamiento global?
43 Tema 2 El trabajo de Galileo
Proyecto: imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar Reúnanse en equipo para desarrollar uno de los dos temas que se les presentarán. Deberán organizar y realizar el proyecto a lo largo de todo el bimestre y difundirlo en las dos últimas semanas del mismo.
Al finalizar cada bloque encontrarás:
4. Evaluación 4.1. Elaborar un informe escrito o realizar una sesión de discusión que incluya la valoración de los logros, dificultades y aciertos que tuvieron a lo largo del proyecto, así como de los conocimientos, habilidades y actitudes que pusieron en práctica y que adquirieron.
Etapa 1: Planeación
» Proyecto
Planeación
Desarrollo
1.1. Para elaborar el plan de trabajo ordenen los pasos que seguirán en el proceso en una tabla como la siguiente. Utilicen un calendario para programar el tiempo que le dedicarán a cada uno de ellos. Recuerden que para alcanzar un objetivo común es de gran ayuda contar con una actitud de disposición para el trabajo colaborativo. Distribuyan el trabajo de tal manera que todos participen como responsables de una parte del proceso, aprovechando las ventajas y habilidades de cada miembro del equipo.
Incluye opciones que permiten el desarrollo, integración y aplicación de los aprendizajes esperados y las competencias mediante un trabajo que aborda una problemática de tu interés.
Cuadro 1.1. Plan de trabajo del proyecto. Fase Figura1.85. Etapas del proyecto.
Fecha
Responsables
1.Planeación Comunicación
Evaluación
Para realizar el proyecto deberán seguir cuatro etapas generales: planeación, desarrollo, comunicación y evaluación (figura 1.85).
Selección del tema del proyecto Formulaciónde la hipótesis Identificaciónde herramientas
1.Planeación 1.1. Elaboración de un plan de trabajo. 1.2. Seleccionar el tema del proyecto. 1.3. Formular una hipótesis. 1.4. Identificar las herramientas necesarias para realizar las actividades (formular entrevistas, realizar visitas a lugares de interés, etcétera). 2.Desarrollo 2.1. Recopilación de información (mediante consultas bibliográficas, electrónicas y a través de entrevistas o encuestas, etcétera). 2.2. Organizar y analizar la información recopilada (registrarla en fichas de trabajo, reportes o notas). 2.3. Obtener el resultado (respuesta de la pregunta) y verificar o corregir la hipótesis planteada. 2.4. Seleccionar el formato del producto final (puede ser la elaboración de un experimento, la construcción de un dispositivo, una presentación, elaboración de un documental o material bibliográfico, etcétera). 2.5. Elaborar el producto final, si es un objeto, o prepararlo, si es un evento. 2.6. Elaborar las herramientas de difusión.
68
2.Desarrollo Recopilación de la información. Organizacióny análisis de la información Obtencióndel resultado Selección del formatodel producto Elaboracióndel productofinal Elabora cióndelasherramienta sdedifusión 3.Comunicación Difusióndela presentacióndel productofinal Presentacióndelproductoantela comunidad 4.Evaluación Realizacióndelinformeosesióndediscusión
69 Proyecto
14
3.Comunicación 3.1. Difundir el evento para la presentación del producto final. 3.2. Presentar el producto ante la comunidad.
Lee el siguiente reactivo y registra tus respuestas en tu cuaderno.
Lee el siguiente reactivo y registra tus respuestas en tu cuaderno.
Centro de la galaxia
Satélites
Despuésde recopilar informacióndurante 16 años delmovimientode algunasestrellaslocalizadasen el centrodela VíaLáctea(figura5.47), elinvestigador ReinhardGenzely suequipopresentaronlosresultadosdesu investigación:enelcentrode lagalaxiahay unhoyo negro.
Lossatélit esartificiales queorbitan laTierraproporcionaninformación sobre nuestro planetaen diversosaspecto s.Por ejemplo, los satélites TOPEX/ Poseidóny Jason-1tienen como objetivomonitorear el comporta miento de la s a guas en los océanos(figura5.48).
De manera independiente , la astrónoma Andrea Gheztambiénllegó a laconclusión dela existencia deestecuerpoen elcentrodela galaxia.
Figura5.47. Galaxiaespiral.
» Evaluación tipo PISA
Figura5.48. Imagen satelital deluz infrarroja dela Tierra
Este apartado incluye reactivos semejantes a los de la prueba PISA (Programa Internacional para la Evaluación de Estudiantes), cuya finalidad es evaluar los conocimientos adquiridos y entrenarte en la resolución de este tipo de examen.
Pormediodeimágenessateli tale ssepuedetenerunpanoramamáscompleto de algunosfenómenosclimáticosque ocurrenennuestro planeta,asícomo explorarregionesde difícilaccesode manerafísica,por ejemplo,dedesiertos,cadenas montañosas yselvas.
9. Si los hoyos negros no se pueden observar directamente con ninguno de los aparatos hasta ahora diseñados, ¿cómo es posible detectarlos?
13. Escribe Verdadero o Falso según sea el caso. 10. Escribe Verdadero o Falso según sea el caso.
A Eldesarrollode latecnologíade lossatélitesartificia-
lesrequirióde laciencia. A Enla astronomía,debenpasarmásde10 añospara
B Elanálisis delos datos envia dosa laTierraporlos
quese concluyaunainvestigación. B Eltelescopio Hubbleesun telescopiocolocadoen la cimadeunamontañamuyalta. C Paratenerresultadosconfiablesesnecesarialasistematizaciónde losdatos. D La investigacióncientífica es una activ idaddonde variaspersonastrabajanen conjunto.
satélitessefacilitagraciasa lascomputadoras. C Lacienciase desarrollóapartir delos satélitesartifi-
ciales. D Sinlos satélites artifi cialesno sería posib lerealizar
investigacionesclimáticasen laTierra. 14. Los detectores de ondas infrarrojas no existirían de no ser por: A Elelectromagnetismo C La geografía
11. ¿Qué debieron hacer Reinhard Genzel y su equipo con los datos que obtuvieron en lasobservaciones? A Sumarlosyacomodarlosen tablas. B Analizarlosparallegara unaconclusión. C Publicarlosparaqueotros investigadoreslos analicen. D Escribirun ensayosobrelo quecreen querepresentan. 12. ¿Cuál es una de las principales herramientas para investigar los cuerpos celestes? A L os p er is co pi os C La atmó sfera
B Lagenética D Laanatomía
15. En un principio, se desarrolló la tecnología espacial para investigar el espacio exterior, pero ahora se utiliza esa tecnología para otras actividades. Escribe dos ejemplos de estas.
16. ¿Qué fenómenos se pueden prever gracias a los satélites artificiales?
B Laespectroscopia D Losplanetas
A Crisiseconómicas C Huelgas
B Huracanes D Temblores
262
263 Evaluación tipo PISA
Al final del libro encontrarás:
Formulario Bloque 1
Bloque 2
Velocidad (magnitud):
» Formulario
Segunda ley de Newton:
F = ma
d t
V=
Donde F = fuerza, m = masa y a = aceleración.
Donde V = magnitud de la velocidad, d = desplazamiento y t = tiempo de recorrido.
Este apartado incluye algunas fórmulas y ejemplos de su uso y se profundiza en la conversión de unidades.
Ejemplo: Ejemplo: Si un cuerpo con masa de 2 kg cae verticalmente,y se sabe que la aceleración de la gram vedad es 9.8 s2 ,¿con qué fuerza cae el objeto?
Una pelota se desplaza una distancia de 5 m en 2 segundos. ¿Cuál es la magnitud de su velocidad?
V =
d t
5m
F = ma = (2 kg)(9.8
m
= 2 s = 2.5 s
m m s2 ) = 19.6 kg s2 = 19.6 N
Recuerda que la unidad de fuerza en el Sistema Internacional es el newton,y que:
Rapidez:
m
r =
1 kg s2 = 1 newton = 1 N
d t
Energía potencial (energía almacenada):
Donde r = rapidez, d = distancia recorrida y t = tiempo de recorrido.
E p = mgh Ejemplo: Donde E p = energía potencial, m = masa, g = aceleración de la gravedad y h = altura. Una persona camina una distancia de 10 m en 20 segundos. ¿Cuál es su rapidez?
r =
d t
10 m
Ejemplo:
m
= 20 s = 0.5 s
¿Cuál es la energía potencial de una lámpara de 1.5 kg que cuelga a una altura de 2 m?
Aceleración (magnitud):
a=
E p = mgh = (1.5 kg)(9.8
v
t
m s2 )(2 m)
m
m2
= (14.7 kg s2 )(2 m) = 29.4 kg s2 = 29.4 J
m
m
m
m2
Observa que = (kg)( s2 )(m) = (kg)( s2 )( 1 ) = kg s2
Donde a = magnitud de la aceleración, v = cambio de la magnitud de la velocidad = v2 – v1, v1 = velocidad inicial, v2 = velocidad final y t = tiempo en el que se dio el cambio de velocidad.
Recuerda que la unidad de energía en el Sistema Internacional es el Joule,y que: m2
1 kg s2 = 1 joule = 1 J
Ejemplo: Un automóvil cambia su velocidad de 2 ración?
a = longitud
v
t
v –v
2 1 = 20 s =
m s a m
22
m s en
m
20 segundos.¿Cuál es su acele-
Ec = m
22 s – 2 s 20 s 20 s = 20 s
longitud
Observa que tiempo ÷ tiempo = tiempo ÷
tiempo 1
Energía cinética (energía del movimiento):
m
longitud
1 2
mv2
Donde Ec = energía cinética, m = masa y v = rapidez.
= 1 s2
longitud
= tiempo × tiempo = tiempo2
264
265 Formulario
» Fuentes de información Para el alumno
Fuentes de información Para el alumno
Videos
Carl Sagan (director). Cosmos (serie documental),TurnerHomeEntertainment,Estados Unidos,1980.
El Universo deStephen Hawking (serie documental),Public Broadcasting Service,Estados Unidos, 1997.
El Universo mecánico (serie documental),Instituto Tecnológico de California CALTCH eINTELECOM,Estados Unidos,1985.
Libros
¿Qué?Ciencia,Bookselling,España,2007.
Barroso,Paz. El corazón delaTierra ,SEP: SM de ediciones,Biblioteca de Aula,2002.
Bibliotecade laciencia ilustrada,SEP: Fernández Editores,Biblioteca de Aula,2002.
Brandan,MaríaEster. Laradiación al serviciodela vida,Fondo de Cultura Económica,México, 2011.
Brian K.,Williams. Faradayy lacienciade laelectricidad ,Panamericana,2007.
Claybourne,Anna.Lahistori adela ciencia,Usborne,USA, 2009.
Couper,Heather y otros. Big Bang,SEP: Autrey,Biblioteca de Aula,2002.
Fierro Grossman,Julieta. LaAstronomíade México,Lectorum,México, 2005.
GarcíaBarreto,JoséAntonio. AstronomíaBásica,Fondo de Cultura Económica,México,2000.
Gay García,Carlos. LaAtmósfera,SEP: Santillana,Bliblioteca del Aula,2002.
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http://www.chavitos.snte.org.mx/?P=sospechososec&j=184
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Laciencia platicadita,Libros, lectores y servicios,México,2008.
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Morrison,Ian. ¡Lamateriase rompe!,Mc Graw Hill,México,2004.
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Navarrete,Néstor. Atlas Básico deTecnología,SEP: Parramón Ediciones,Biblioteca de Aula,2003.
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Pogan, Andrew. Fuerzas Físicas,SEP: Ediciones Internacionales S, Bliblioteca de Aula,2003.
Stefani,Marta. Historiade laciencia y latecnología:la revolución científica,SEP: EDITEX,Biblioteca de Aula,2002.
Torres,Silvia y otros. Nebulosas planetarias:la hermosa muerte de las estrellas,Fondo de Cultura Económica,México,2009.
Viajea las estrellas:decómo (y con qué) los hombres midieron el Universo ,Siglo XXI editores,Argentina, 2010.
Referencias bibliográficas, electrónicas y videos que pueden apoyarte en el estudio de los bloques respectivos.
Para el maestro Referencias bibliográficas y electrónicas donde el profesor puede encontrar m ateriales de apoyo para la clase.
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/23/htm/desarro. htm
VonRebeur, Ana. Lacienciadel color:historiasypasionesen tornoa lospigmentos,Siglo XXIeditores, Argentina, 2011. White,Michael. Conversaciones con IsaacNewton ,Ediciones Oniro,España.2008.
Consultadas para la elaboración de este libro 268
269
Además de las recomendadas para el maestro y el alumno.
15
La descripción del movimiento y la fuerza En este curso de Física identificarás palabras que tienen un significado diferente en esta materia que en lenguaje común, por ejemplo: energía, velocidad, peso, etcétera. Además, aplicarás lo que has estudiado en tus cursos de matemáticas al expresar cantidades de una manera que no sea en números. En este bloque estudiarás algunas propiedades del movimiento de los cuerpos. Conocerás más acerca de las ideas que se tenían en la Antigüedad sobre el movimiento de los cuerpos y su naturaleza, los distintos tipos de fuerza, cómo representarlas y algunos métodos gráficos para sumarlas. Este curso de física también contribuirá a reforzar las competencias para la formación científica básica. Estas competencias forman parte del enfoque didáctico, guardan estrecha relación con los propósitos y los aprendizajes esperados y contribuyen a la consolidación de las competencias para la vida y al logro del perfil de egreso.
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Competencias que se favorecen • Comprensión de fenómenos y procesos naturales desde la perspectiva científica. • Comprensión de los alcances y limitaciones de la ciencia y del desarrollo tecnológico en diversos contextos. • Toma de decisiones informadas para el cuidado del ambiente y la promoción de la salud orientadas a la cultura de la prevención.
Aprendizajes esperados • Interpreta la velocidad como la relación entre desplazamiento y tiempo, y la diferencia de la rapidez, a partir de datos obtenidos de situaciones cotidianas. • Interpreta tablas de datos y gráficas de posicióntiempo, en las que describe y predice diferentes movimientos a partir de datos que obtiene en experimentos y/o de situaciones del entorno.