Sabers que s'aprenen

#EN4t.1. Formulació i comprovació d’hipòtesis sobre les diferents formes d’energia i les seves aplicacions a partir de les seves propietats i del principi de conservació, per a la resolució de problemes relacionats amb l’energia mecànica en situacions quotidianes i de rellevància social.

#EN4.2. Reconeixement dels diferents processos de transferència d’energia en què estan implicats forces o diferències de temperatura, com a base de la resolució de problemes quotidians.

#HC4t.3. Ús del llenguatge científic, incloent-hi l’ús adequat de sistemes d’unitats i eines matemàtiques bàsiques, per argumentar i comunicar amb diferents entorns científics i d’aprenentatge.

#HC4t.4. Interpretació i producció d’informació científica en diferents formats i amb diferents mitjans per desenvolupar un criteri propi basat en el que el pensament científic aporta per millorar la societat.

Concrecions dels sabers curriculars

• Anàlisi de fenòmens mecànics, com ara la baixada d’un cos per una rampa, en termes de la conservació de l’energia mecànica. [ESS] [EN.TCE5]
• Interpretació de fenòmens de variació de temperatura d’un cos en termes de la quantitat de calor comunicada al cos amb relació a la seva massa, la seva calor específica i la variació de temperatura experimentada. [ESS] [EN.TER2; EN.TER3]
• Identificació de la calor i el treball com dos possibles mecanismes de transferència d’energia en diferents situacions relacionades amb una varietat de fenòmens quotidians, com un canvi d’estat o l’escalfament d’un cos, i distingir si aquest es produeix per contacte amb un cos més calent (transferència d’energia per calor) o per una força exercida sobre seu (transferència d’energia per treball). [ESS] [EN.TCE4; EN.TER.1]
• Representació de les cadenes energètiques que permeten explicar com arriba l’electricitat a casa nostra, incloent-hi els principals mecanismes involucrats (pales, turbines, generadors electromagnètics, transformadors elèctrics, etc.), posant èmfasi tant en la conservació com en la dissipació de l’energia. [EN.TCE7]
• Elaboració d’argumentacions a partir de models científics, incloent-hi l’ús d’expressions matemàtiques i representacions gràfiques quan sigui necessari. [ESS]
• Valoració crítica sobre els aspectes que donen validesa al coneixement científic (el treball en comunitat i la cerca de consensos, la replicabilitat dels experiments, el contrast dels resultats de manera independent, les publicacions i els congressos científics, etc.).

Interacció amb altres blocs de sabers

-

Idees clau que es construeixen

[EN.TCE4]. La potència indica la rapidesa de la transferència d’energia.

[EN.TCE5]. En els sistemes mecànics ideals, el treball de les forces provoca canvis entre l’energia cinètica i la potencial.

[EN.TCE6]. L’energia idealment es conserva, però tendeix a degradar-se irremeiablement.

[EN.TCE7]. El Sol és la font d’energia lliure del planeta Terra.

[EN.TER2]. La calor es transfereix per conducció, convecció o radiació.

Descripció de l’activitat per al docent

Presentació i context

L’energia és un concepte abstracte que fem servir per interpretar la configuració dels estats dels sistemes físics i “mesurar” les diferències en aquesta configuració quan es produeix un canvi en el sistema (és a dir, quan un objecte que es refreda o s’escalfa, es frena o s’accelera, puja o baixa, es comprimeix o descomprimeix, es carrega o descarrega elèctricament, reacciona químicament, etc.).

 Ara bé, sovint parlem de l’energia com si fos una substància material que passa d’un lloc a l’altre, que es transfereix, que pot emmagatzemar-se, que es dissipa, etc. De fet, això és el que fem quan parlem de cadenes energètiques. Aquesta manera de pensar en l’energia com si fos una substància quasimaterial que es transfereix d’un lloc a l’altre té avantatges i inconvenients. D’una banda, és una forma de raonament analògic d’una gran utilitat didàctica, ja que ajuda l’alumnat a entendre que un objecte guanya energia si un altre en perd, que l’energia perduda no desapareix sinó que va a l’entorn, etc. Ara bé, hem de vigilar que l’alumnat no acabi pensant que l’energia és un fluid màgic que es transporta d’un lloc a l’altre.

 En aquesta activitat l’alumnat ha de fer servir una analogia per pensar en energia: l’aigua representarà l’energia; els gots, els elements del sistema que guanyen o perden energia per mitjà de transferències, i la safata, l’entorn on va a parar l’energia dissipada.

Desenvolupament de l’activitat

L’activitat consisteix a demanar a l’alumnat que triï un fenomen físic, sigui escollit pel seu compte, sigui que li donem nosaltres. Alguns exemples podrien ser: la pujada i la baixada d’un infant per un tobogan, l’accelerada i frenada d’un cotxe, un programa curt d’una rentadora, la cocció feta amb un robot de cuina, etc. Un cop triat el fenomen, l’alumnat l’ha de dividir en passos concrets, i identificar en cada pas quins elements del sistema guanyen o perden energia. Aquest procés obliga a distingir entre l’estat inicial i el final de cada element i el procés que ha provocat el canvi, cosa que no sempre és trivial. Per exemple, quan un cotxe accelera, les rodes guanyen energia (es mouen més), però el dipòsit de combustible en perd (reacciona químicament perdent energia), mentre que quan el cotxe frena les rodes perden energia (es mouen menys), però els frens en guanyen (s’escalfen).

 Per representar-ho, l’alumnat disposa de diversos gots que simbolitzen els objectes o elements del sistema, i d’aigua, que representa la quantitat d’energia associada a la configuració de cada element. Quan un objecte guanya energia, l’alumnat aboca aigua al got que el representa; quan la perd, traspassa aigua cap al got d’un altre element. Quan consideri que una part de l’energia es degrada o es dissipa a l’entorn —per exemple, per fregament, escalfament o vibracions— haurà de deixar caure aquesta aigua a la safata, que simbolitza l’entorn, de manera que aquesta part ja no és recuperable. Aquesta mecànica permet visualitzar la conservació de l’energia total (la quantitat d’aigua no desapareix) i, alhora, la seva degradació (l’aigua que acaba a la safata es dispersa i deixa de ser útil). A mesura que l’alumnat avança en la representació del fenomen, ha de raonar en cada pas què ha canviat en la configuració dels elements del sistema: si han guanyat altura, velocitat, temperatura, compressió o qualsevol altra magnitud que permeti interpretar que han guanyat o perdut energia. L’alumnat pot utilitzar etiquetes, dibuixos als gots o a la safata o post-it que ajudin a identificar quin got representa què, i així fer més explícita la seva cadena energètica.

Figura 1: Fotografia d’un estudiant vessant aigua a la safata per representar la dissipació d’energia a l’entorn. En aquest cas, l’alumnat ha tenyit l’aigua de color groc perquè es vegi millor.

Si es vol, el docent pot orientar la discussió perquè l’alumnat distingeixi entre tipus d’energia i mecanismes de transferència, i perquè expliciti qui perd i qui guanya energia en cada moment. El fet de manipular aigua facilita que l’alumnat pugui expressar idees encara que no disposi d’un vocabulari científic complet, i permet tornar a representar la seqüència tantes vegades com calgui, ajustant-la i discutint-la en grup.

Variacions i suports

Aquesta activitat admet diferents versions segons fins a quin punt vulguem aprofundir en el model. El primer que es pot ajustar són els fenòmens triats. Per exemple, si es tria un esquiador que baixa per una pista, l’anàlisi serà més senzilla que si es comença per un esquiador que es troba a baix de la pista i primer puja en telecadira per després baixar esquiant, ja que això ens permet fer-nos preguntes com: “d’on ve l’energia associada al moviment del telecadira?”, i també si “tota l’energia del telecadira es transfereix a l’esquiador?”.

Un altre grau de complexitat és si volem parlar només d’energia de forma genèrica o bé volem distingir entre energia cinètica i potencial. Alhora, podem parlar de formes d’energia que tenen a veure amb fenòmens de diferent naturalesa (mecànics, elèctrics, químics, tèrmics, etc.), sempre que no acabem comunicant la idea errònia que hi ha molts “tipus” d’energia diferent, i deixem clar que no són “tipus” d’energia diferent, sinó tipus de fenòmens als quals associem energia. Finalment, també podem decidir si volem parlar de transferència de manera genèrica, o bé si volem distingir entre quan la transferència es dona per treball (forces que produeixen desplaçaments) o per calor (transferències degudes a diferències de temperatura o d’estat d’agregació). Això dependrà dels coneixements previs de l’alumnat a l’hora de fer l’activitat.  

Pel que fa al producte final, aquest es pot quedar en un simple procés dut a terme a l’aula, al laboratori, però també l’alumnat pot fer presentacions in situ davant de la resta de grups, o bé enregistrar el seu procés en vídeo i després visualitzar-lo conjuntament.

Recursos

López Simó, V., & López, Ò. (2022). Modelitzem la transferència, degradació i conservació de l’energia amb gots d’aigua i una safata. Ciències: Revista del Professorat de Ciències de Primària i Secundària, (44). https://doi.org/10.5565/rev/ciencies.464

Al capítol 6 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.