Sabers que s'aprenen

#EN.8. Realització d’experiments relacionats amb la naturalesa elèctrica de la matèria, i comprovació i interpretació de les propietats conductores dels materials.

#EN.9. Disseny, muntatge i anàlisi de circuits elèctrics elementals, tant en un entorn físic com simulat.

#HC.1. Utilització de metodologies pròpies de la investigació científica per a la identificació i la formulació de qüestions, l’elaboració d’hipòtesis i el seu contrast experimental.

#HC.3 Ús de diversos entorns i recursos d’aprenentatge científic, com ara el laboratori o els entorns virtuals, fent servir de manera correcta els materials, els productes i les eines tecnològiques i tenint en compte les normes d’ús de cada espai per assegurar la conservació de la salut pròpia i comunitària, la seguretat en xarxes i el respecte al medi ambient.

Concrecions dels sabers curriculars

• Predicció i comprovació experimental de la brillantor de diferents bombetes connectades en circuits elèctrics simples, en sèrie i en paral·lel. [EN.ELE1]
• Reconeixement que la brillantor d’una bombeta (intensitat de corrent elèctric) té a veure no només amb la resistència al pas de corrent elèctric que ofereix la bombeta mateixa, sinó també amb l’energia subministrada per la pila o bateria i la manera com està connectada la bombeta al circuit en relació amb altres elements del circuit. [EN.ELE1; ELE2]
• Elaboració d’hipòtesis, degudament justificades a partir de coneixement científic previ. [ESS]
• Utilització responsable d’entorns virtuals i recursos digitals per a l’aprenentatge i la recerca científica, com ara simuladors i laboratoris virtuals.

Interacció amb altres blocs de sabers

-

Idees clau que es construeixen

[EN.ELE1]. La intensitat de corrent elèctric en un circuit depèn de la configuració dels elements que el formen.

[EN.ELE2]. El voltatge s’associa a l’energia que guanyen o perden les càrregues elèctriques.

Descripció de l’activitat per al docent

Presentació i context

Tot i que la majoria d’alumnat de secundària ja parteix de la idea teòrica que perquè circuli electricitat cal un circuit tancat, és probable que una bona part tingui dificultats a la pràctica a l’hora d’explicar com funciona una llanterna o lot simple, que requereixi piles per funcionar. En concret, els pot ser costós d’entrada trobar una configuració per connectar tres elements entre ells, com són una bombeta de filament (sense portalàmpades), un cable i una pila, per aconseguir il·luminar la bombeta.

A més, és força habitual que l’alumnat de secundària sostingui concepcions com que la brillantor d’una bombeta depèn únicament del voltatge de la pila, ja que aquesta subministra sempre una mateixa quantitat de corrent, o que el corrent elèctric es consumeix a la pila, entre d’altres.

Desenvolupament de l’activitat

Així doncs, un exercici bàsic, però força productiu, podria ser demanar a l’alumnat fer les connexions que consideri necessàries per il·luminar una bombeta amb una pila i cable. A partir d’aquí, es podria iniciar una discussió sobre el paper que desenvolupa cada element i predir de quines maneres es podria aconseguir variar la brillantor de la bombeta. Per exemple, es podria demanar a l’alumnat que expliqui el raonament emprat en ordenar les bombetes A-E segons la seva brillantor en els tres circuits següents, tenint en compte que contenen bombetes i piles idèntiques, i considerant que les piles són ideals, és a dir, que no tenen resistència interna.

En el transcurs de les proves que l’alumnat haurà fet per trobar la configuració adequada per il·luminar la bombeta, és probable que hagi notat que en connectar ambdós extrems del cable a la pila, aquests s’escalfen, el que anomenem un curtcircuit o “circuit curt”. Això aporta l’experiència sensorial que passa alguna cosa en els elements del circuit: no només la bombeta es pot arribar a il·luminar quan està connectada de manera adequada al circuit, sinó que, a més, la temperatura dels elements augmenta. El paper clau del professorat en aquest punt és fer emergir el primer supòsit o hipòtesi important, que formarà part del model de circuit elèctric: “Quelcom flueix per tot el circuit”. Aquest “quelcom” resulta que és energia i corrent elèctric. Però caldrà anar construint aquestes idees pas a pas. Per començar, caldrà assumir que “la brillantor de la bombeta és l’indicador de la quantitat de corrent elèctric que hi passa a través, de manera que com més brilla la bombeta, més corrent elèctric hi ha”. És decisió de cada docent fer una connexió explícita o no amb la naturalesa elèctrica d’allò que flueix (electrons lliures dels materials conductors); dependrà de la noció o model d’àtom que s’hagi tractat ja al nivell de l’alumnat.

A continuació, caldria abordar la pregunta espontània sobre què es consumeix en un circuit a mesura que la pila es gasta: el corrent elèctric, l’energia, els electrons? I de què depèn que es gasti més o menys de pressa? Després d’haver recollit les idees prèvies de l’alumnat a aquestes qüestions, es pot passar a fer observacions, com, per exemple, muntar un circuit en sèrie o en paral·lel amb un parell de bombetes. D’aquesta manera, es podran posar a prova les diferents hipòtesis. Si fos el corrent elèctric el que es consumís al llarg del circuit, llavors, en connectar dues bombetes en sèrie o en paral·lel, s’hauria d’observar que una brilla més que l’altra, ja que per la primera que passaria el corrent es consumiria part d’aquest i ja no n’arribaria tant a la segona. Però l’observació d’aquest experiment ens mostra que totes dues bombetes brillen aproximadament igual (si són idèntiques). De manera que, d’aquest experiment, en podríem inferir que “el corrent total és constant al llarg del circuit i no es consumeix a cada bombeta”.

També caldria fer emergir la pregunta de si el corrent elèctric a través d’una determinada pila és sempre el mateix, independentment del nombre i disposició dels elements (bombetes, en aquest cas) que connectem al circuit. De nou, després que l’alumnat hagi expressat les seves idees i raonaments inicials a aquesta qüestió, podem passar a plantejar l’experiment de comparar la brillantor d’una sola bombeta connectada en un circuit elèctric simple, o de dues bombetes idèntiques connectades en sèrie i en paral·lel. Quan es connecten dues bombetes en sèrie, s’observa que la brillantor d’aquestes és igual entre elles, però inferior a la d’una sola bombeta connectada al circuit. Tenint en compte els supòsits anteriors i aquesta darrera observació, es pot inferir que el corrent total a través d’una pila en un circuit amb dues bombetes en sèrie és inferior al corrent total a través de la mateixa pila en un circuit amb una sola bombeta connectada. Quan es connecten dues bombetes en paral·lel, s’observa que la brillantor d’aquestes és igual entre elles, i igual que la d’una sola bombeta connectada al circuit. D’aquesta nova observació, es pot inferir que el corrent total a través d’una pila en un circuit amb dues bombetes en paral·lel és doble al corrent total a través de la mateixa pila en un circuit amb una sola bombeta connectada, ja que aquest corrent es reparteix en dues meitats iguals quan arriba al nus des d’on surten les dues branques paral·leles amb una bombeta cadascuna. Però, i si cadascuna de les dues branques paral·leles no tingués el mateix nombre i configuració de bombetes? Aquesta és una pregunta que permetria continuar explorant i ampliant el model mental que cada alumne o alumna hagi construït.

Aquesta seqüència d’activitats ens porta a elaborar explicacions sobre per què el corrent total a través d’una mateixa pila augmenta o disminueix quan es connecten més o menys bombetes en sèrie o en paral·lel. Cal que, arribats a aquest punt, el o la docent contribueixi a elaborar un model en què les bombetes siguin considerades obstacles o resistències al pas del corrent elèctric, de manera que l’addició de bombetes en sèrie impliqui més resistència al corrent elèctric pel circuit i per la pila. De manera similar, les branques addicionals d’un circuit elèctric serien considerades com facilitadores del pas de corrent elèctric, ja que ofereixen nous camins i no oposen tanta resistència al corrent elèctric.

Amb aquesta seqüència d’activitats també s’obre la porta a la pregunta de com ho fa una pila per ser una font d’energia per al circuit. Un cop ja s’ha arribat a la conclusió que una pila no subministra sempre el mateix corrent, cal assumir que sí que aporta la mateixa energia a cada electró que circula pel corrent, però que depenent dels elements connectats, el ritme de subministrament d’energia al circuit pot augmentar o disminuir. Són diverses les analogies que els i les docents poden utilitzar per abordar aquesta qüestió. De vegades, el paper de la pila es concep com el d’un dipòsit d’aigua amb una bomba que empeny el flux d’aigua, o d’unes mans que fan passar fitxes d’una persona a una altra d’un conjunt de persones formant un cercle, o d’un forn de pa que va subministrant pa a les diferents botigues on es ven a través de furgonetes de repartiment. Sigui com sigui, cal tenir present que no hi ha cap objecte o sistema que es comporti exactament igual com l’electricitat i, per tant, qualsevol analogia que utilitzem a les nostres classes ajudarà a raonar, però tindrà les seves limitacions.

Variacions i suports

Si no es disposa de prou material de laboratori (piles, bombetes, cables, portalàmpades), o bé es considera que no es té temps per dur a terme aquests experiments, també es poden fer de manera virtual, amb simulacions.

Una seqüència d’activitats alternativa consistiria a investigar com allargar la durada de la càrrega de la bateria d’un mòbil, tal com es presenta a la proposta següent: https://ddd.uab.cat/record/182127?ln=ca

Recursos

Simulació sobre circuits elèctrics: https://phet.colorado.edu/sims/html/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab/latest/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab_all.html?locale=es

Xerrada-taller d'en Víctor Grau: https://www.recercaenaccio.cat/video-de-la-xerrada-lensenyament-de-lelectricitat/ 

Al capítol 4 del llibre Didàctica de la física per a l’educació secundària obligatòria, coordinat per Víctor López-Simó i Digna Couso, es descriuen amb més detall algunes d’aquestes activitats.