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ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL UNIVERSO A PARTIR DEL
CONCEPTO DE CUERPO NEGRO: PROPUESTA DIDÁCTICA PARA LA
ENSEÑANZA, EN UN CLUB DE ASTRONOMÍA.
LINA MARCELA GIRALDO ÁVILA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
MAESTRÍA EN EDUCACIÓN
Bogotá
2020
II
ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL UNIVERSO A PARTIR DEL
CONCEPTO DE CUERPO NEGRO: PROPUESTA DIDÁCTICA PARA LA
ENSEÑANZA, EN UN CLUB DE ASTRONOMÍA.
Trabajo de grado presentada para optar al título de:
Magister en Educación con Énfasis en Ciencias de la Naturaleza y Tecnología
Autor:
LINA MARCELA GIRALDO ÁVILA
Director:
M. Sc. GIOVANNI CARDONA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
MAESTRÍA EN EDUCACIÓN
Bogotá
2020
III
“Dedicado especialmente a mis padre, por su amor y sacrificio en todos estos años, por
apoyarme para lograr llegar hasta aquí, a mi hijo y a mi esposo, quienes con su amor,
acompañamiento y comprensión, lograron que este trabajo culminara con éxito, y como no, a
Dios.”
IV
AGRADECIMIENTOS
Agradezco, especialmente, a mi familia: Mi padre, Jesús Alberto Giraldo, por todo su apoyo,
dedicación y sacrificio, por alentarme para que cada día me forme más; a mi madre, María Del
Carmen Ávila, por impulsarme día tras día en todas las etapas de mi proceso formativo; a mi
esposo, Camilo Beltrán, y a mi hijo amado, Camilo Alejandro Beltrán Giraldo, por su amor y la
motivación que me dan para lograr grandes objetivos en mi vida; igualmente, a otros miembros
de mi familia por creer en mí.
Extiendo un agradecimiento sincero, al profesor MSC. Giovanni Cardona Rodríguez, asesor y
director del presente trabajo, quien, desde el pregrado, ha estado dispuesto a brindarme su apoyo
y acompañamiento incondicional en mi proceso de formación académico y profesional.
A cada uno de los docentes y compañeros de la maestría, quienes me brindaron su colaboración
y sus valiosos aportes, que permitieron el desarrollo y la culminación de este proyecto desde cada
uno de los seminarios brindados.
A las directivas y estudiantes del Colegio Andrés Rosillo por apoyarme y hacer parte del Club
de Astronomía ALTAIR “fly trough skies”: Valeria Páez, Valentina Bachiller, Alejandro Martínez,
Jesús Fonseca, Brayan Jején, Valentina López, Mateo Rojas, Lizhet González, Gizet Jiménez,
Espinosa Esteban, Daniel Velandía, Cristian Beltran, Daniel Rico, Reiber García, Sara Valencia
y Valentina González, quienes siempre estuvieron dispuestos a participar y a aportar en todas las
actividades sin esperar nada a cambio. A mi compañera de área, Leidy Bernal, quien me brindó
su experiencia y apoyo en el proceso de formación del club.
Finalmente, a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por permitirme continuar
con mi proceso de formación, y brindarme todos las herramientas necesarias para la culminación
de la misma, al grupo de investigación INVESTUD-CN, y el semillero de Astronomía y Enseñanza
de la Universidad Francisco José de Caldas ASTROEN, por permitirme formar parte de este
grandioso equipo, dedicado a la enseñanza y divulgación de procesos en didáctica de la
Astronomía.
V
RESUMEN
La enseñanza de la astronomía ha generado preocupación entre la comunidad educativa ya que
es un área en el cual hay mucho por desarrollar y es muy poca la producción y divulgación con la
que se cuenta. Debido a esto, surgió la necesidad de escribir textos dedicados al estudio de la
enseñanza de la Astronomía, enfocados para los estudiantes de educación primaria, básica y media.
El presente documento muestra el proceso que se llevó a cabo y la implementación de la
propuesta didáctica para la enseñanza de la Astronomía, en un club.
Como parte del proyecto de investigación inicialmente se realizó una indagación documental
necesaria para la construcción teórica y práctica del documento, la cual consiste en: antecedentes
de la enseñanza y didáctica de la Astronomía, clubes de Astronomía en Bogotá, Radiación de
cuerpo negro, Radiación Cósmica de Fondo. Se presenta un análisis en los estándares básicos de
educación en ciencias naturales propuestos por el Ministerio de educación Nacional (MEN), con
el fin de mostrar las temáticas propuestas dentro del currículo como parte de la enseñanza de la
Astronomía, igualmente, se realizó una caracterización de las temáticas expuestas en los clubes de
Astronomía de Bogotá suscritos al Planetario Distrital para el año 2018, mostrando un análisis de
objetivos de estudio y de contenidos de enseñanza de la Astronomía para así formar el Club de
Astronomía ALTAIR “fly trough skies” en el colegio Andrés Rosillo.
Una vez realizados el sondeo, se consolidaron los objetivos y temáticas propias del club. Se
presentó el diseño, validación y la implementación de una serie de actividades con las cuales el
estudiante logró calcular la temperatura efectiva del Universo. Se evidenció que este tipo de
actividades, son herramientas de enseñanza que facilitan la labor pedagógica de los docentes
pertenecientes a clubes de Astronomía.
Finalmente se evidenciaron los resultados obtenidos de la implementación de las actividades y
reflexiones y conclusiones de las mismas.
Palabras claves: Enseñanza, Astronomía, clubes de astronomía, temperatura efectiva, herramienta
didáctica, Radiación de cuerpo negro, Radiación Cósmica de Fondo.
VI
Abstrac
The Astronomy teaching has generated worries on the educative community. During the last
years a big number of texts dedicated to the Astronomy teaching study is evidential, especially in
the students of primary, basic and middle education.
This document shows the process of development and implementation of the didactic proposal
for the teaching, in an Astronomy club. As part of the investigation project initially a necessary
documental research is developed for the theoretical and practical construction of the document,
which is about teaching and didactic background of the Astronomy, Astronomy clubs in Bogota,
black body radiation, background cosmic radiation.
An analysis is presented in the basic education standards in natural science proposed for the
National education ministry with the purpose to how the topics proposed inside the curriculum as
part of the Astronomy teaching.
A characterization of the exposed topics on the clubs of Bogota about Astronomy subscribed to
Planetarium District ( Planetario Distrital) for the year 2018 is done, showing a mapping of the
study objectives and teaching content of the Astronomy for that form the Astronomy club ALTAIR
' fly through skies' on Andres Rosillo School and consolidate the objectives and own club topics.
Then, the design, validation and implementation are presented of series of activities which the
student achieve calculate the effective temperature of the Universe, likewise, these activities
support the teachers with teaching tools of the Astronomy especially in Astronomy clubs, finally
the results obtained from the implementation of the activities, reflections and conclusions of their
own are evidenced.
Key words: teaching Astronomy, Astronomy clubs, effective temperature, didactic tool, Black
body radiation, background cosmic radiation
VII
CONTENIDO
RESUMEN ............................................................................................................................ V
Abstrac ................................................................................................................................. VI
Lista de ilustraciones........................................................................................................ VIII
Lista de tablas ..................................................................................................................... IX
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 1
1. CAPÍTULO I.................................................................................................................. 4
1.1. Objetivos............................................................................................................................4
1.1.1. Objetivo General ........................................................................................................4
1.1.2. Objetivos Específicos .................................................................................................4
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ...................................5
1.3. PEGUNTA DE INVESTIGACIÓN ............................................................................... 10
1.4. ANTECEDENTES TEÓRICOS .................................................................................... 11
1.4.1. LA ASTRONOMÍA ................................................................................................ 11
1.4.2. Clubes de Astronomía ............................................................................................. 18
1.4.3. Antecedentes en la enseñanza del cuerpo negro y la astronomía ............................ 25
1.4.4. Radiación de Cuerpo Negro .................................................................................... 27
1.4.5. Radiación de cuerpo negro Planck .......................................................................... 32
1.4.6. Radiación Cósmica De Fondo................................................................................. 39
2. CAPÍTULO II............................................................................................................... 45
2.1. DESARROLLO METODOLÓGICO ............................................................................ 45
2.1.1. Enfoque y método de investigación ........................................................................ 45
2.1.2. Técnicas de la investigación.................................................................................... 46
2.1.3. Diseño y validación de instrumentos ...................................................................... 48
Cuestionario Final ................................................................................................................. 52
CAPÍTULO III ..................................................................................................................... 59
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE LA IMPLEMENTACIÓN .................................. 59
3.1. Club de Astronomía........................................................................................................ 59
3.1.1. Validación de Instrumentos ........................................................................................ 63
3.1.2. Validación Instrumento de indagación Cuestionario .............................................. 63
VIII
3.1.3. Validación serie de actividades ............................................................................... 64
3.2.2. Análisis serie de actividades. .................................................................................. 75
CAPÍTULO IV ..................................................................................................................... 90
5. REFLEXIONES .......................................................................................................... 90
4.1. REFLEXIONES ............................................................................................................. 90
4.1.1. Sobre el diseño de la propuesta pedagógica ............................................................ 90
4.1.2. Sobre la implementación ......................................................................................... 91
5. CONCLUSIONES ...................................................................................................... 93
Anexos....................................................................................................................................... 99
Referencias....................................................................................................................... 105
VALIDACIÓN ........................................................................................................................ 106
Lista de ilustraciones
Figura 1. Esquema de síntesis sobre las características de la Didáctica de la Astronomía. Adaptado de Camino
(2011). .............................................................................................................................................................................................. 18 Figura 2. Objetivos de enseñanza en los Clubes de Astronomía........................................................................................... 23 Figura 3. Contenidos temáticos en los Clubes de Astronomía ............................................................................................ 24 Figura 8. Logo Club de Astronomía Altair, diseñado por los estudiantes del Colegio Andrés Rosillo. ........................ 59 Figura 15. Elaboración de carta celeste gigante ..................................................................................................................... 62 Figura 16. Rubrica validaciones pares académicos cuestionario 1. .................................................................................... 64 Figura 17. Rubrica de evaluación actividad No 1. Experto. .................................................................................................. 65 Figura 18. Proceso de validación por grupo piloto. ............................................................................................................... 66 Figura 19. Rubrica de evaluación actividad No 2. Experto.................................................................................................. 67 Figura 20. Validación prueba Piloto.......................................................................................................................................... 68 Figuran 21. Cuestionario aplicado sesión 1. ............................................................................................................................ 71 Figura 21 Cuestionario aplicado sesión 1. ............................................................................................................................... 71 Figura 22. Desarrollo actividad No 1....................................................................................................................................... 77 Figura 23. Espectro G1. .............................................................................................................................................................. 77 Figura 24. Espectro G2. .............................................................................................................................................................. 78 Figura 25. Espectro G3 ............................................................................................................................................................... 78 Figura 26. Espectro G4 ............................................................................................................................................................... 79 Figura 27. Interacción de los participantes del club actividad No 1. ................................................................................. 80 Figura 28. Algunas falencias detectadas en el uso de Excel de los participantes. ........................................................... 82 Ilustración 29. Observación herramienta video en Youtube por Arzayus. .......................................................................... 83 Figura 35. Temperatura efectiva del Universo identificada por los estudiantes participantes. ...................................... 86 Figura 37. Diagrama en tres dimensiones para el diseño de las Actividades. .................................................................. 91
IX
Lista de tablas
Tabla 1 Conocimientos básicos relacionados con la enseñanza de la astronomía según el MEN
(2004). _________________________________________________________________ 10
Tabla 2 Propuestas pedagógicas en la enseñanza de la Astronomía. ________________ 17
Tabla 3 Clubes de Astronomía Bogotá. Planetario 2018. _________________________ 21
Tabla 4 Matriz de cheque objetivos de estudio clubes de Astronomía (Planetario Bogotá 2018).
________________________________________________ ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 5 Matriz de chequeo contenidos temáticos de cada club de Astronomía (Planetario de
Bogotá 2018) _____________________________________ ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 6 Antecedentes didácticos en la enseñanza del cuerpo negro. _________________ 27
Tabla 7 Ajuste de datos reales obtenidos por FIRAS._____________________________ 44
Tabla 8 Actividades para la estimación de la temperatura efectiva del Universo. ______ 57
Tabla 9 Delimitación de la población_________________________________________ 58
Tabla 10 Categorías de análisis para instrumentos. _____________________________ 70
Tabla 11 Matriz análisis de datos P1. ________________________________________ 72
Tabla 12 Matriz análisis de datos P2._________________________________________ 73
Tabla 13 Matriz análisis de datos P3._________________________________________ 73
Tabla 14 Matriz análisis de datos P4. ________________________________________ 74
Tabla 15 Matriz análisis de datos P5. ________________________________________ 74
Tabla 16 Matriz análisis punto 2, actividad No 1. ________ ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 17 Matriz análisis punto 3, actividad No_________________________________ 81
Tabla 18 Matriz análisis punto 4, actividad No 1________________________________ 81
Tabla 19 Aproximación temperatura efectiva del universo. ________________________ 86
Tabla 20 Cantidad de energía emitida por el Universo a partir de datos reales. _______ 87
Tabla 21 Enunciados escritos por los participantes. _____________________________ 88
INTRODUCCIÓN
En la enseñanza de la física y la astronomía es de gran importancia la elaboración de
prácticas teóricas observacionales, que propongan un análisis cualitativo y cuantitativo de
fenómenos que involucren el estudio de un concepto o una teoría física con el fin de afianzar
los conocimientos adquiridos por los estudiantes, de este modo como lo propone Barbosa
(2008), se debe plantear el reto de generar espacios agradables de aprendizaje y con ellos
generar cambios en los procesos de formación; teniendo en cuenta como la mayoría de
docentes han sido formados desde la educación tradicionalista Salas (2010), donde el tablero,
en su gran mayoría, es el mejor amigo, los formulismos y demostraciones matemáticas
forman el todo en el aula.
La Astronomía es un área que logra integrar diferentes disciplinas, tales como: física,
química, biología, ciencias sociales, matemáticas, entre otras, lo cual permite fomentar
procesos interdisciplinarios en el aula. Sin embargo, en Colombia, el estudio de la
Astronomía desde un ámbito profesional es limitado, existe, por ejemplo, un pregrado
universitario en Astronomía en la universidad de Antioquia y muy pocas especializaciones
que permiten el desarrollo científico en el área, además, se tiene el primer y único Doctorado
en Astronomía en la universidad Nacional de Colombia, en la sede de Bogotá, el cual tiene
tres énfasis de investigación: gravitación y cosmología; astronomía estelar, y núcleos activos
de galaxias.
Por otro lado, la Astronomía en las escuelas, se limita a ser enseñada únicamente por
el interés de los estudiantes, y docentes de diferentes áreas promueven la formación de
semilleros, clubes de astronomía y planetarios, igualmente hay otros entidades que se
preocupan por difundir la utilidad que tiene la ciencia que estudia el universo. Por el
contrario, como lo indica Iglesias (2007), en otros países es tanta la preocupación y el interés
por la enseñanza de la Astronomía que presentan contenidos pedagógicos en las escuelas tal
es el caso de: EE.UU., Chile, Francia y Argentina.
La enseñanza de las ciencias en la escuela de nuestro país, está ligada fuertemente a
los propósitos presentados por el Ministerio de Educación Nacional (MEN, 2004), en los
2
cuales se establecen estándares mínimos de enseñanza que, en algunos casos, limitan al
docente a tener, como comúnmente es llamada, “libertad de cátedra”, la falta de
conocimientos, desinformación, tiempo o, simplemente, falta de interés en la didáctica de la
Astronomía no han dejado que esta ciencia sea del todo enseñada en las instituciones
educativas como parte importante en los diferentes planes de estudios propuestos en las
instituciones, por esta razón, los semilleros o clubes de ciencias toman un papel muy
importante, debido a que estos promueven alternativas al currículo y además suscitan el
trabajo interdisciplinar.
En consecuencia, surge la necesidad de apoyar las actividades de clubes de
Astronomía con material didáctico que impliquen obtener la temperatura efectiva del
universo a partir de un modelo de cuerpo negro partiendo de la pregunta de investigación:
¿De qué manera se puede apoyar las actividades didácticas en los clubes de astronomía,
especialmente a partir del estudio del concepto de cuerpo negro, con el fin de enseñar
características físicas del universo, tales como su temperatura efectiva? Estableciendo como
objetivo general apoyar las actividades de clubes de Astronomía con material didáctico que
involucren el obtener la temperatura efectiva del universo a partir de un modelo de cuerpo
negro.
Para dar cumplimiento a lo anteriormente, se tuvo en cuenta una metodología de
investigación de corte cualitativa, fenomenológica descriptiva, la cual permitió comprender
los fenómenos, a partir de la exploración de los participantes, en el ámbito que se sitúen, en
este caso, desde el contexto dentro de un club de Astronomía (Fernández 2014).
Por consiguiente, se plantea un objetivo para los estudiantes, este consiste en
relacionar la idea de temperatura efectiva con la radiación de un cuerpo negro y evidenciar
sus vínculos con la Astronomía y la enseñanza, para esto se realizó una revisión de los
estándares básicos de educación en Ciencias Naturales en Colombia, con el f in de
proporcionar evidencias teóricas de la contextualización de la Astronomía en la educación
media del país, así mismo, identificar la necesidad de desarrollar estrategias didácticas
consolidadas en actividades, que permitan presentar de manera adecuada dichos conceptos.
3
En el capítulo uno del documento se presentan: los objetivos, problema de
investigación y antecedentes, los cuales se encuentran divididos en cuatro apartados; el
primero da cuenta de un recorrido histórico y la importancia de la Astronomía en nuestro
país; el segundo, está enfocado al análisis de la enseñanza y didáctica de la Astronomía, así
mismo, una revisión detallada de los clubes de astronomía inscritos al planetario de Bogotá
para el año 2.018, con el fin de identificar sus principales propósitos en la enseñanza de la
astronomía; en el tercer apartado, se evidencia los antecedentes históricos en la enseñanza de
la Astronomía específicamente a partir del concepto de cuerpo negro; el cuarto y último
apartado, presenta una revisión teórica-conceptual que reconoce la importancia del concepto
de cuerpo negro como herramienta que permite estimar la temperatura efectiva de cuerpos
celestes.
El capítulo dos describe el desarrollo metodológico de investigación que se tuvo en
cuenta para el desarrollo de la propuesta, refiere el proceso del diseño, validación y aplicación
de los instrumentos empleados como lo son: cuestionario y análisis del contenido de los
resultados.
Se presenta la propuesta pedagógica que tiene como fin la implementación de dos
actividades, la primera contó con estrategias que permitían al estudiante recolectar datos
reales, dado que, como lo indican Cardona, Reyes, & Giraldo, (2016, p. 21) “El emplear
datos reales guía al estudiante a la solución de problemas reales”. De esta manera la primera
actividad se encarga de relacionar la teoría de radiación de cuerpo negro con la temperatura
efectiva de una estrella, evidenciado por el espectro de emisión simulado por C. A.
GUEYMARD, D. M. (2002). Proposed reference irradiance spectra for solar energy systems
testing. Elsevier science Ltd, 73 (6), 443-467. Así mismo, la actividad dos pretende generar
una aproximación de la temperatura efectiva del universo a partir de datos reales obtenidos
por el instrumento FIRAS (Far Infrared Absolute Spectrophotometer) a bordo del satélite
COBE, quien mide temperaturas de la radiación cósmica de fondo, y quienes declaran por
Mather et al. (1990) y retomado por Arzayús (2010), en referencia a que el espectro posee
una distribución espectral Plankiana. Por último, se presenta las fases en las cuales se lleva a
cabo la investigación desde la modalidad de profundización.
4
El capítulo tres da evidencia de los resultados y el análisis de la investigación,
obtenidos de la aplicación de los instrumentos a los estudiantes del club de Astronomía
ALTAIR, “fly trough skies” del colegio Andrés Rosillo.
El cuarto, y último capítulo, presenta las reflexiones que resultaron del diseño y la
implementación de la propuesta y se exponen conclusiones sobre las implicaciones del
desarrollo de una propuesta alternativa de enseñanza, los principales alcances y las
limitaciones de la propuesta de innovación en la enseñanza.
1. CAPÍTULO I
1.1.Objetivos
1.1.1. Objetivo General
• Apoyar las actividades de clubes de Astronomía con material didáctico que
involucren el obtener la temperatura efectiva del universo a partir de un modelo de
cuerpo negro.
1.1.2. Objetivos Específicos
• Formar un Club de Astronomía en el colegio Andrés Rosillo de la localidad de
Bosa, Bogotá.
• Identificar la relación calor-temperatura con el concepto de la radiación de cuerpo
negro que realizan los estudiantes del club de Astronomía.
• Diseñar, validar e implementar una serie de actividades didácticas que aporten a
docentes de clubes de astronomía en la enseñanza de esta.
• Estimar la temperatura efectiva del universo a partir de datos reales obtenidos por
el instrumento FIRAS (Far Infrared Absolute Spectrophotometer) a bordo del
satélite COBE.
5
1.2.PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
El hecho de contemplar las diferentes hipótesis científicas que históricamente
pugnaron por dar respuesta a un problema y el participar de la controversia que
llevó a su aceptación o rechazo, lleva a reflexionar no solo sobre el contenido que se
aprende sino también sobre aspectos epistemológicos, relacionados con cuestiones
como “¿Cómo sabemos...?” o “¿Qué evidencias tenemos...?” (Savall F, 2013, pág.
3).
En la enseñanza de la física es de gran importancia la elaboración de prácticas
experimentales que propongan un análisis cualitativo y cuantitativo de fenómenos, los cuales
comprendan el estudio de un concepto o una teoría con el fin de afianzar los conocimientos
adquiridos por los estudiantes, de este modo y según como lo propone Barbosa (2008), nos
debemos plantear el reto de generar espacios agradables de aprendizaje y con ellos generar
cambios en el contexto educativo, teniendo en cuenta principalmente que la mayoría de
docentes han sido formados desde la educación tradicionalista, en la que el tablero, en su
gran mayoría de veces, es el mejor amigo, donde los formulismos y demostraciones
matemáticas forman el todo en el aula (Giraldo & Cardona, 2019).
Hoy en día la Astronomía en nuestro país es una ciencia limitada al estudio, y con esto
se hace referencia a una carrera profesional, ya que solo existe pregrado universitario en
Astronomía en la universidad de Antioquia y muy pocas especializaciones que permitan el
desarrollo científico en el área. Esto evidencia la necesidad de presentar temáticas
relacionadas con la Astronomía a los estudiantes, desde etapas escolares iniciales para
fomentar en ellos la curiosidad por el Universo y la pluralidad de conocimientos que este nos
brinda, además, es evidente cómo desde la labor de formadores en ciencias se adquiere el
compromiso de presentar esta ciencia de una forma diferente promoviendo la motivación en
ellos.
La enseñanza de las ciencias en la educación en bachillerato está ligada fuertemente a los
propósitos presentados por el Ministerio de Educación Nacional (MEN 2004), en los cuales
se establecen estándares mínimos de enseñanza que las instituciones deben ofrecer a los
estudiantes, la falta de conocimientos tal vez, o la desinformación en la didáctica de la
6
Astronomía, no han dejado que esta ciencia sea puesta en práctica en las instituciones
educativas como parte formal en los planes de estudio propuestos en las distintas áreas del
conocimiento de cada institución.
Ante la importancia de generar un proceso de enseñanza-aprendizaje de la Astronomía
en la educación media se realiza un análisis en Colombia, desde el Ministerio de Educación
Nacional (Nacional, 2004), donde se identifican los estándares básicos de competencias en
conceptos de astronomía los cuales son mostrados en la tabla No 1. En la cual se observa
como de los conceptos que se mencionan son pocos los que se encuentran relacionados
directamente con la astronomía.
Como es bien sabido, la mayoría de las instituciones educativas ofrecen la asignatura de
física en el grado noveno, décimo y once, dejando de un lado conocimientos fundamentales
en las etapas iniciales; en esta revisión se observa que el concepto de cuerpo negro y
características físicas del universo como su temperatura efectiva no son enseñadas en el aula
o bien no son establecidas como conceptos fundamentales en el aprendizaje escolar.
Por otra parte, en Colombia, los colegios no presentan una asignatura con un desarrollo
curricular en el área de la enseñanza de la Astronomía en la educación básica secundaria, por
tanto, se plantean currículos donde se toman algunos conceptos de interés por los docentes,
desde las ciencias sociales y en las ciencias naturales. Por otra parte, en Bogotá desde los
colegios públicos y privados se establecen semilleros, clubes de astronomía y entidades que
se preocupan por este conocimiento, tal es el caso del Planetario de Bogotá y
ASTROBLAA de la Biblioteca Luis Ángel Arango, los cuales buscan estrategias
pedagógicas para la formación científica y cultural de los ciudadanos.
Estándares Básicos de Competencias en Ciencias Naturales
Ciclo Procesos en Ciencias
Naturales
Competencia
PRIMERO A
TERCERO
Entorno Vivo No aplica
Entorno Físico Identifico tipos de movimiento en
seres vivos y objetos, y las fuerzas
que los producen.
7
Registro el movimiento del Sol, la
Luna y las estrellas en el cielo, en un
periodo de tiempo
Ciencia, tecnología
y sociedad
Diferencio objetos naturales de
objetos creados por el ser humano.
Asocio el clima con la forma de vida
de diferentes comunidades.
CUARTO A QUINTO Entorno Vivo No aplica
Entorno Físico Comparo movimientos y
desplazamientos de seres vivos y
objetos.
Describo los principales elementos
del sistema solar y establezco
relaciones de tamaño, movimiento y
posición
Comparo el peso y la masa de un
objeto en diferentes puntos del
sistema solar.
Describo las características físicas
de la Tierra y su atmósfera.
Ciencia, tecnología
y sociedad
Establezco relaciones entre el efecto
invernadero, la lluvia ácida y el
debilitamiento de la capa de ozono
con la contaminación atmosférica.
SEXTO A SÉPTIMO Entorno Vivo Explico el origen del universo y de
la vida a partir de varias teorías.
Entorno Físico Describo el desarrollo de modelos
que explican la estructura de la
materia.
Explico el modelo planetario desde
las fuerzas gravitacionales.
8
Describo el proceso de formación y
extinción de estrellas.
Relaciono masa, peso y densidad
con la aceleración de la gravedad en
distintos puntos del sistema solar
Explico las consecuencias del
movimiento de las placas tectónicas
sobre la corteza de la Tierra.
Ciencia, tecnología
y sociedad
Indago sobre los adelantos científi
cos y tecnológicos que han hecho
posible la exploración del universo.
OCTAVO A NOVENO Entorno Vivo Formulo hipótesis acerca del origen
y evolución de un grupo de
organismos.
Comparo diferentes teorías sobre el
origen de las especies.
Entorno Físico Establezco relaciones entre las
variables de estado en un sistema
termodinámico para predecir
cambios físicos y químicos y las
expreso matemáticamente
Relaciono las diversas formas de
transferencia de energía térmica con
la formación de vientos.
Reconozco y diferencio modelos
para explicar la naturaleza y el
comportamiento de la luz.
Comparo los modelos que explican
el comportamiento de gases ideales
y reales.
9
Ciencia, tecnología
y sociedad
Indago sobre avances tecnológicos
en comunicaciones y explico sus
implicaciones para la sociedad.
DÉCIMO A ONCE Entorno Biológico No aplica
Entorno Químico Explico la estructura de los átomos a
partir de diferentes teorías.
Uso la tabla periódica para
determinar propiedades físicas y
químicas de los elementos.
Realizo cálculos cuantitativos en
cambios químicos.
Relaciono grupos funcionales con
las propiedades físicas y químicas
de las sustancias.
Entorno Físico Establezco relaciones entre la
conservación del momento lineal y
el impulso en sistemas de objetos.
Relaciono masa, distancia y fuerza
de atracción gravitacional entre
objetos
Establezco relaciones entre el
modelo del campo gravitacional y la
ley de gravitación universal.
Modelo matemáticamente el
movimiento de objetos cotidianos a
partir de las fuerzas que actúan
sobre ellos.
Explico la transformación de
energía mecánica en energía
térmica.
10
Ciencia, tecnología
y sociedad
Explico aplicaciones tecnológicas
del modelo de mecánica de fluidos.
Tabla 1. Conocimientos básicos relacionados con la enseñanza de la astronomía según el MEN (2004).
De lo anterior se establece una problemática en la enseñanza de la astronomía en el
aula, la cual es considerada, por la gran mayoría, como un área con gran dificultad a la hora
de ser presentada a la comunidad, Tarquino (2017) afirma: “las dificultades que algunos
docentes manifiestan es no tener suficientes actividades prácticas, la sensación de poseer
conocimientos inadecuados, además suponen que es necesario disponer de equipos y material
astronómico especializado, para que puedan introducir la enseñanza de la Astronomía en sus
clases”. (P. 6.).
1.3.PEGUNTA DE INVESTIGACIÓN
En Bogotá se cuenta con aproximadamente 700 colegio privados y 358 colegios
Distritales, frente a un estudio realizado por Cardona (2015), de los cuales se evidencia cómo
aproximadamente 57 de estos reportan oficialmente frente al planetario Distrital un club o
semillero de Astronomía.
Una de las necesidades primordiales que surgen al hacer este estudio es apoyar las
actividades de clubes de Astronomía con material didáctico y que involucren obtener la
temperatura efectiva del universo a partir de un modelo de cuerpo negro. Con esto se plantea
la pregunta central de la investigación:
¿De qué manera a partir del estudio del concepto de cuerpo negro se puede
enseñar características físicas del universo, tales como temperatura efectiva, a
estudiantes de un club de Astronomía en Bachillerato?
Para el cumplimiento de la pregunta general de la investigación se plantean cuatro
preguntas auxiliares:
I. ¿De qué manera desde el que hacer docente se puede fortalecer el proceso de enseñanza
de la Astronomía?
II. ¿Qué fenómenos permiten la enseñanza de la Astronomía a partir de la revisión de
estándares básicos de educación en Colombia?
11
III. ¿Qué aspectos permiten que el diseño de una serie de actividades didácticas en
enseñanza de la Astronomía facilitan la vinculación directa con los estándares básicos
propuestos por el MEN?
IV. ¿Cuáles son los objetivos y contenidos principales que mantienen los clubes de
astronomía en Bogotá?
V. ¿De qué manera el involucrar datos reales permite que el estudiante se acerque a la
realidad de las características físicas del universo?
1.4. ANTECEDENTES TEÓRICOS
1.4.1. LA ASTRONOMÍA
¨La astronomía es la ciencia que se ocupa del estudio del universo, es decir, de la
determinación de los cuerpos que lo constituyen, de la formación de estos y de las
leyes que lo rigen¨ (Janes, 1984)
La astronomía es la ciencia más antigua que se conoce actualmente, el origen de las
matemáticas, la física y la geografía contribuyó a que la astronomía creciera a pasos
agigantados hace muchos años. Esto ayudó, en gran medida, al conocimiento del
pensamiento científico, el hombre con esta ciencia podía calcular el tiempo que se tardaba
cada estación, cuándo sembrar y cosechar las semillas que plantaban…con esta ciencia los
hombres primitivos trataban de dar una explicación acerca del origen y los fenómenos de la
naturaleza que ocurrían.
En las antiguas civilizaciones como la china, la egipcia o la griega, poseían
conocimientos astronómicos muy limitados y rudimentarios, solo podían hacer la
observación a simple vista de los fenómenos celestes y su aplicación con la agricultura, y
algunos de estos fenómenos la iglesia los catalogaba como fenómenos religiosos.
1.4.1.1.La astronomía en Colombia.
La Historia de la Astronomía en nuestro país data de décadas atrás con las
observaciones realizadas por los muiscas, aportando, de forma significativa, los calendarios,
en su artículo, Romero (2011) indica, el observatorio Solar Bacatá del pueblo muisca, el cual
está ubicado en la actual plaza de Bolívar, fue utilizado para la creación del calendario y en
12
el revivieron observaciones que hoy en día permiten comprobar la importancia del desarrollo
del calendario solar en este sitio estratégico de este pueblo indígena.
Luego de los hallazgos y las observaciones establecidos por los muiscas, Colombia
tuvo el honor de ser el primero en empezar a estudiar el espacio, los primeros en interesarse
en el estudio de esta ciencia fueron: el botánico, José Celestino Mutis y Francisco José de
Caldas, quienes construyeron un observatorio astronómico en el centro de Bogotá. Durante
estas épocas la violencia en Colombia estaba en su auge, las guerras políticas interpartidistas
lograron que la astronomía se olvidara, dejando así, que otros países como Argentina, Chile
o Brasil tomaran un adelanto en base a ella, además no solo estos países avanzaron en temas
como la astrofísica, la física celeste, si no también avanzaron mucho en infraestructuras,
como varios observatorios, academias de astronomía, entre otros. En el tiempo en que las
guerras en Colombia estaban en su punto más crítico, la astronomía pasó de estar en manos
de personas físicas a manos de personas aficionadas y es por esto que se le restó importancia
durante esas épocas, pero desde hace unos 20 años atrás, Colombia comenzó a recortar
distancias en relación a los otros países de Latinoamérica, se dio inicio a la creación de
diversas academias y/o escuelas que pretendían enseñar más a fondo sobre la astronomía
(Arias, 1993).
Según los datos de profesionalización en Colombia (Vodniza, 2016), la astronomía
se está empezando a conocer en el país, ya que de unos pocos astrónomos que salían del país
a buscar oportunidades en otros países, hoy en día se encuentran doctorado o rangos más
altos, afirmación señalada por el profesor del observatorio nacional, Santiago Vargas, gran
parte de los astrónomos que están en el país están trabajando en la universidad Nacional o en
la universidad de Antioquia.
Además, el director del observatorio nacional, José Gregorio Portilla dijo en una
entrevista para la revista Semana en el año 2016: “ha sido tan rápido ese crecimiento que
hemos adquirido visibilidad mundial: hace un año volvimos a pertenecer a la Unión
Astronómica Internacional y alrededor de 20 astrónomos fueron aceptados por esta
organización¨ (Vodniza, 2016).
13
En Colombia con el pasar de los años se ha formalizado un poco la astronomía en las
universidades, en la Universidad Nacional se han encargado de estudiar la astrofísica solar,
termodinámica, agujeros negros, entre otros. Mientras que la Universidad de Antioquia se ha
encargado de la investigación en exoplanetas y astrobiología.
1.4.1.2. Enseñanza De La Astronomía.
Hoy por hoy la enseñanza de la astronomía en nuestra sociedad se ha convertido en
un plus a la hora de presentar proyectos educativos en el área de las ciencias naturales, siendo
esta un área donde el proceso de interdisciplinaridad está fuertemente ligado con áreas como
la física, química, ciencias sociales. Ha surgido la necesidad de involucrar conceptos de
astronomía en el aula como un fin motivador de procesos de enseñanza-aprendizaje.
A continuación, se presentarán algunos referentes o antecedentes didácticos relacionados con
la enseñanza de la Astronomía que ayudarán a realizar un acercamiento más amplio a
propuestas metodológicas para el análisis de esta. La didáctica de la Astronomía, y en
general de cualquier área de la educación, es la encargada de buscar estrategias y
metodologías de planificación de herramientas que posibiliten al estudiante el aprendizaje
significativo de una temática particular.
Por ende, es una ciencia que se debe revisar desde el que hacer como docentes, como
educadores y formadores, para ayudar en la mediación de procesos de enseñanza-aprendizaje
en el aula y fuera de ella. Al realizar un recorrido histórico y conceptual en antecedentes
teóricos frente a la didáctica de la Astronomía, se puede decir que son muy pocos los textos
hallados en este campo que permiten un desarrollo desde un enfoque formal, aun así, y
siendo una de las ciencias más antiguas que existen y que permiten la adquisición de
conocimientos desde muy temprana edad, los primeros estudios en Astronomía según Bailey
(2004), datan del año 1.973 con Charles Wall, en el que se realizan revisiones curriculares y
conceptuales en el área.
La astronomía es una disciplina que permite tener objetos de estudio específicos,
modelos concretos y metodologías específicas, refiriéndose a modelos concretos básicamente
en lo expuesto por Krapas (1997), y retomado por Camino (2015), se hace alusión, a aquellos
que indican una relación entre el modelo concreto con un modelo pedagógico, el cual
14
consiente en generar una correspondencia apropiada entre el concepto y el proceso de
enseñanza-aprendizaje y le facilita al estudiante alcanzar conocimientos significativos.
Desde la Astronomía se puede denominar modelos concretos a todo aquello que
permite realizar una modelación de fenómenos que viabilizan el debido acercamiento a
conceptos físicos, químicos, etcétera. Así mismo, los modelos mentales se pueden relacionar
estrechamente entre los modelos conceptuales ya que en la educación en ciencias estos
facilitan que el estudiante, a través de la modelación, pueda generar representaciones
estructurales del mundo.(Moreira, 2002).
A su vez, esta ciencia permite la modelación de fenómenos desde pequeños ejercicios
como elaboración de maquetas, representaciones físicas, hasta modelos computacionales que
han permitido al estudiante un acercamiento coherente en el aprendizaje.
Hoy en día, y en especial en nuestro país, la Astronomía se ha puesto al conocimiento
a través de la creación de semilleros de investigación implementados en las instituciones y
en los clubes de Astronomía, los cuales han tenido una gran incidencia en las escuelas. Al
ser una ciencia interdisciplinar no se encarga de conceptualizar replicas teóricas, por el
contrario, procura hacer ver el mundo de diferentes modos, de diferentes formas, de utilizar
la observación y los modelos cotidianos para el alcance del conocimiento (Nardi, 2016), que
permiten interactuar con áreas diferentes a la física, tales como la matemática, la química, la
biología y las ciencias sociales, entre otras.
Sin embargo, en los colegios públicos y privados de Bogotá aún no se ha
implementado una asignatura específica en la que se imparta astronomía, a su vez, en el
planetario de Bogotá se ha desarrollado, desde hace varios años, un programa de astronomía
que permite que los niños y jóvenes se interesen más en esta ciencia (Cabra, 2016), en Bogotá
además se cuenta con diferentes observatorios astronómicos, como lo es el Laboratorio de
Astronomía y Ciencias de la Tierra de la universidad Distrital Francisco José de Caldas
ubicado en la aduanilla de Paiba, el cual cuenta con una estación meteorológica y una cúpula
de observación para conocer todo sobre el cosmos, además de ser un sitio destinado para la
comunidad educativa de la universidad cada ocho días se encuentra abierto al público en
general.
15
Conviene subrayar, que los clubes de Astronomía han fortalecido el estudio de esta
ciencia en la educación básica y secundaria fomentando el interés en los estudiantes por esta
ciencia, por el conocimiento de lo desconocido, por la observación y abstracciones mentales
del estudiante, la importancia del club de astronomía radica en el alto nivel de
interdisciplinaridad que esta conlleva, es decir, que un club permite el acercamiento a la
ciencia y la investigación de forma abierta a todo el público sin importar la edad ni la
profesión. En el caso concreto de la enseñanza astronómica, a partir de los conceptos de
cuerpo negro, se pretende buscar un modelo que permita caracterizar la temperatura del
universo a estudiantes de un Club de Astronomía.
Hoy en día la Astronomía ha sido un área de gran motivación en los docentes en
formación, como lo es el caso específico de los estudiantes de maestría en Educación ciencias
de la naturaleza y la tecnología de la universidad Distrital Francisco José de Caldas, Maestría
en Educación de la Universidad Pedagógica Nacional y la Universidad Nacional, con la
Maestría en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales, quienes han investigado y
generado propuestas de enseñanza desde sus labores, y que brindaron un gran aporte al
desarrollo metodológico del presente trabajo. Estos se encuentran relacionados en la tabla
No 2.
Institución Autor Año Proyecto
Universidad
Pedagógica
Nacional
Johanna Sabina
Herrera
Mantilla
2014
Efectividad de la metodología del
aprendizaje cooperativo en el
desarrollo de competencias
científicas y ciudadanas a través
del proyecto “Semilleros de
astronomía: Hunnab Ku” en
estudiantes del grado quinto de
primaria con diferente estilo
cognitivo.
Universidad
Distrital
Elsa Marleny
Tarquino Cabra 2016
Desarrollo de Procesos de
Investigación en la Escuela a partir
de la Astronomía.
16
Francisco José
de Caldas
Universidad
Nacional De
Colombia
Julián Alberto
Pico Arévalo 2016
Actividades didácticas en
astronomía estelar, para un público
en general, del Museo de la
Ciencia y el juego de la
Universidad Nacional de
Colombia.
Universidad
Nacional De
Colombia
Humberto
Barrios Pena 2016
Aplicación de las Leyes de Kepler
como Alternativa Pedagógica para
la Enseñanza de las Secciones
Cónicas.
Universidad
Nacional De
Colombia
Giovanni
González
Murillo
2016
Conceptos y principios básicos de
la astronomía observacional.
propuesta didáctica
complementada con la utilización
de tic, dirigida a estudiantes de
educación media vocacional.
Universidad
Distrital
Francisco José
de Caldas
Ana Margot
Barrantes
Clavijo
2017 Diseño de un Ambiente Bimodal
de Aprendizaje de la Astronomía.
Universidad
Distrital
Francisco José
de Caldas
Diana Catalina
Santos 2017
El análisis espectral de nebulosas
planetarias: una secuencia
didáctica aplicada con profesores
de física en formación.
Universidad
Distrital
Francisco José
de Caldas
Yessica Andrea
Martínez
Becerra
2019
Tocando, sintiendo y escuchando
el universo: la
arqueoastronomía multisensorial.
una propuesta investigativa para la
17
enseñanza de la astronomía en
población con discapacidad visual.
Tabla 2. Propuestas pedagógicas en la enseñanza de la Astronomía, revisión del año 2014 al 2019.
1.4.1.3.Didáctica de la astronomía
La didáctica es una disciplina científica que enmarca un proceso en el cual se buscan
métodos y técnicas para fortalecer los procesos de enseñanza, además de analizar y diseñar
técnicas o estrategias de enseñanza, fija límites en el aprendizaje, y se encarga de estudiar los
orígenes, circulación y apropiación del saber y sus condiciones de enseñanza y aprendizaje
(Zambrano, 2005).
Para garantizar un proceso de enseñanza-aprendizaje en el aula es necesario fomentar el
uso de herramientas didácticas que permitan la formación de estudiantes en un saber.
En este trabajo al fomentar la enseñanza de la Astronomía se generarán una serie de
actividades que apoye a los docentes de clubes el proceso de enseñanza-aprendizaje de la
astronomía, para esto, se tendrá en cuenta el esquema que plantea Camino (2011), sobre las
características didácticas de la astronomía, tomando en cuenta el gran lazo entre la relación
hombre – universo, como un proceso de aprendizaje para lograr aprendizajes significativos a
partir de una disciplina transversal que permite la relación inmersa entre las diferentes áreas
del conocimiento científico.
18
Figura 1. Esquema de síntesis sobre las características de la Didáctica de la Astronomía. Adaptado de
Camino (2011).
De este modo, y como lo enmarca la figura 1, la Didáctica de la Astronomía reúne los
dos temas fundamentales de este proceso, los cuales son: las ciencias de la Naturaleza
desde la Astronomía y las ciencias sociales, como la Didáctica, asumiendo la didáctica de la
astronomía al proceso de la formación de conocimiento significativo.
Así pues, la didáctica de la Astronomía, es todo aquello que provee de herramientas,
métodos y modelos, que permiten el aprendizaje significativo de todas las personas que
deseen ampliar sus conocimientos en el área.
El propósito de la didáctica de la astronomía es que las personas interesadas en el
desarrollo de procesos de enseñanza-aprendizaje logren acciones específicas en el contexto,
tales que se logren relacionar observaciones de fenómenos astronómicos, y así mismo,
involucrar datos reales en los procesos de relación hombre universo.
1.4.2. Clubes de Astronomía
Un club de Astronomía o semillero de Astronomía, es un espacio que se dedica a la
formación científica en espacios extracurriculares, en el cual se involucra a toda la
comunidad que se encuentre interesada en formar parte de él. En estos espacios las temáticas
tratadas no se encuentran involucradas en los planes de estudio de los colegios, a fin de
19
brindar diferentes posibilidades de llegar al entendimiento de los temas que son motivación
del grupo.
Los clubes de astronomía permiten el mayor acercamiento en el país a la didáctica de
la Astronomía, en estos se forma científicamente sin esperar nada a cambio, una gran ventaja
que ofrecen, es que los participantes son de diferentes niveles educativos, de diferentes
edades y que no ofrecen una calificación a cambio de su participación en él, solo interesa el
gusto y el placer por conocer más allá de lo que en el aula de clases tradicionalmente se puede
aprender, entendiendo este punto, como un modelo de aprendizaje significativo que da la
oportunidad de generar nuevos métodos de aprendizajes de formas interdisciplinares en la
educación (Resweber, 2000).
En Colombia, específicamente en Bogotá, existen entidades que se dedican a la
divulgación científica que apoyan a los clubes de astronomía de los colegios, entre estos se
encuentran: el Planetario Distrital, con el Programa “Semilleros de Maestros”, quienes
orientan los procesos de enseñanza-aprendizaje, en los clubes de Astronomía de los colegios
tanto públicos como privados; ASTROBLAA, es un club de lectura científica de la
Biblioteca Luis Ángel Arango, al que acuden niños, jóvenes y adultos, además de contar con
un programa de maletas viajeras, que son trasladadas a colegios que así lo deseen; el club de
Astronomía de la Universidad Sergio Arboleda de Maloka, entre otras.
Es importante aclarar que, los clubes de Astronomía son liderados por docentes
licenciados en química, física, sociales y otras áreas, dejando en evidencia la
interdisciplinaridad en la participación de estos.
1.4.2.1.Análisis de clubes de Astronomía en Bogotá para el año 2018
La investigación surge con 20 clubes de Astronomía inscritos al Planetario Distrital
en el año 2018, en los cuales se realiza un mapeamiento de los objetivos de estudio,
entendiendo los objetivos como parte de la planificación de la instrucción dentro de la
metáfora de la educación en el que pareciera ser, un viaje pensado, en el que el objetivo es
una meta, de esta manera, se convierte en un resultado que se quiere evidenciar en el
estudiante, como: Conocimientos, valores, habilidades, actitudes (Campanario, 1999). Esta
20
primera revisión, como se observa en la tabla No 3, presenta la información básica de los
clubes:
Colegio Nombre Del
Club Proyecto
Formación
Responsable
Colegio Alvernia Polaris Relojes de sol. Lic. Física
Colegio Ana
Restrepo Del Corral
Sin
Información
Explorando las estrellas: el
sol. Lic. Física
Colegio Fervan
Campestre
Sin
Información
Descubriendo nuestro
pasado a través del
firmamento.
Lic. Electrónica
Colegio María Curie Sin
Información
Una misión especial por el
espacio sideral. Lic. Idiomas
Colegio San
Francisco
Sin
Información
Química En El Universo:
¿De Qué Sustancias Está
compuesto El Cosmos?
Lic. Biología
I.E.D. Brazuelos
Chan Nua
Chíe (Seré
Luna –
Muisca)
Influencia del
calentamiento global sobre
la luna.
Lic. Biología
I.E.D. Clemencia De
Caycedo
Sin
Información
Comprobando que la tierra
es redonda. Lic. Física
I.E.D.
Cundinamarca
Sin
Información
Articulación
Interdisciplinar Como
Estrategia Didáctica Para
Fortalecer El aprendizaje
De Fenómenos Planetarios
Y Exoplanetarios.
Lic. Biología
I.E.D. El Libertador Sin
Información Viajeros del universo. Lic. Sociales
21
I.E.D. Fabio Lozano
Simonelli Tierra Y Vida
Feria de divulgación e
indagación de astronomía.
Ing. Civil
Msc. Educación
I.E.D. Gustavo
Morales Morales
Sin
Información Acompañantes del cielo.
Lic. Humanidades Y
Lengua Castellana.
I.E.D. María Cano Sin
Información
Habilidades de
pensamiento espacial en la
comprensión del espacio.
Lic. Sociales
Lic. Matemáticas
I.E.D. Rodolfo
Llinás Sempiternos Sin información.
Filósofo
Msc. Administración
Educativa
I.E.D. Tabora Sin
Información
Colombia: país de
costumbres y tradición oral Lic. Preescolar
Tabla 3. Clubes de Astronomía Bogotá. Planetario (2018).
De esta forma se puede evidenciar que los responsables de estos clubes son docentes
de diferentes áreas, dejando clara la transversalidad e interdisciplinaridad en la formación.
De acuerdo con lo aportado por el planetario de Bogotá, se logra realizar la clasificación de
los objetivos de los clubes teniendo en cuenta la clasificación dada por (Bergan, 1987), en
donde se toman dos grandes grupos para clasificar los objetivos: Objetivos conductuales de
ejecución y Objetivos de enseñanza. El objetivo de enseñanza busca crear una capacidad
deseada en el estudiante, la cual está relacionada con el contenido educativo, para esto se
diseña y asigna una actividad que desarrollará el estudiante para alcanzarla.
22
OBJE
TIVO
C
l
u
b
1
C
l
u
b
2
C
l
u
b
3
C
l
u
b
4
C
l
u
b
5
C
l
u
b
6
C
l
u
b
7
C
l
u
b
8
C
l
u
b
9
C
l
u
b
1
0
C
l
u
b
1
1
C
l
u
b
1
2
C
l
u
b
1
3
C
l
u
b
1
4
C
l
u
b
1
5
C
l
u
b
1
6
C
l
u
b
1
7
C
l
u
b
1
8
C
l
u
b
1
9
C
l
u
b
2
0
Aplica
r/cons
truir
X X X X X X
Deter
minar
conce
ptos
X X X
Evalu
ar X X X
Funda
menta
r
X X X
Gener
ar
interés
X X X X X X X X
Identif
icar X X X X
Imple
menta
r
X X X X X
Indag
ar X X X
23
Tabla 4. Matriz de cheque objetivos de estudio clubes de Astronomía (Planetario Bogotá 2018).
Figura 2. Objetivos de enseñanza en los Clubes de Astronomía .
Además, en esta investigación, se realiza un análisis de los contenidos que aplican
los profesores encargados de cada club de Astronomía, es decir, en cuanto a contribuciones
o temas de interés en los diferentes clubes presentados en la matriz de chequeo, esto se
muestra en la Tabla No 5.
En el análisis de los contenidos establecidos por los clubes se evidencia, como lo
muestra la figura No 3 que el 20% de los clubes se dedican a tratar temas generales en
Astronomía, pero las temáticas no son específicas, gracias a este análisis, se puede observar
cómo ninguno de los 20 clubes de Astronomía al año 2.018 tienen como objetivo enseñar las
características físicas del universo, especialmente: la temperatura efectiva del Universo,
como lo propone la presente investigación.
conce
ptos
Partici
par X X X
Presen
tar X X X
Generar Interes20%
Determinar Conceptos
8%
Fundamentar
Conceptos7%
Construir /
Apl icar15%
Indagar
7%
Implementar12%
Evaluar7%
Participar7%
Identificar10%
Presentar7%
24
Figura 3. Contenidos temáticos en los Clubes de Astronomía
25
Tabla 5. Matriz de chequeo contenidos temáticos de cada club de Astronomía. Planetario de Bogotá (2018).
1.4.3. Antecedentes en la enseñanza del cuerpo negro y la astronomía
En la revisión desde la didáctica de la enseñanza de cuerpo negro se presentan
diferentes trabajos (Tabla No 6), que intentan exponer el uso del mismo en diferentes
áreas del conocimiento: en la meteorología se ha utilizado para el estudio de la
transferencia de energía en la atmósfera de la Tierra, es decir, la radiación atmosférica a
través del modelado en Modellus, como parte del trabajo de investigación propuesto por
(Neves, 2014), donde se pretende involucrar teorías de procesos físicos matemáticos en
estudiantes de primeros semestres de la carrera a partir del uso de herramientas
tecnológicas.
Uno de los estudios más interesantes, desde el enfoque didáctico, de este trabajo, es
el estudio de Balta (2016), que establece relaciones entre las concepciones teóricas y
conceptuales que poseen los docentes de física respecto a la radiación de cuerpo negro
en la enseñanza de la física y la química en la escuela secundaria, indicando que los
docentes se encuentran involucrados en esta concepción aun sin estar estipulada en los
currículos, lo cual deja en evidencia la necesidad de involucrarlos en estos. A su vez, el
estudio revela datos fundamentales de cómo los docentes de educación secundaria
26
confunden el concepto de Radiación de Cuerpo Negro con Agujeros Negros, otra
finalidad de la presente investigación, pretendía develar si los docentes exponían a sus
estudiantes la idea de concebir temperaturas por encima del cero absoluto, es decir, que
el cuerpo negro es un objeto teórico propuesto para describir un campo electromagnético
en equilibrio térmico.
El cuerpo negro, además de resolver problemas físicos, termodinámicos y de
mecánica estadística, ayuda en el desarrollo de la Astrofísica, dado que, se ha logrado
concebir el problema del cuerpo radiante a partir de las estrellas, además, es sumamente
importante en la radiación de fondo cósmico, en la cual se supone que el Universo tiene
un comportamiento el cual se aproxima al de un cuerpo negro, por lo que se podría asociar
la frecuencia de la radiación de fondo, con la temperatura del Universo (Zamora, 2012).
Es a partir de este momento, donde se pone en concordancia el problema planteado, que
consiste en lograr calcular la temperatura del universo a partir del concepto de cuerpo
negro.
Ahora bien, para lograr la propuesta teórica, es necesario hacer un desarrollo teórico
conceptual de las diferentes leyes físicas que hacen parte de este concepto, como lo son:
primero, la ley de Stefan-Boltzmann, que permite relacionar la cantidad de energía por
unidad de área y tiempo que emite un cuerpo negro, y en relación con la Astronomía,
gracias a esta se establecen las primeras determinaciones de la temperatura solar, al igual
que el cálculo del radio de las estrellas conociendo su luminosidad; En segundo lugar, se
encuentra la Ley de Wien, que relaciona el máximo de emisión de un cuerpo con la
temperatura del mismo (Sebastiet et al. 2012). Las teorías anteriormente expuestas se
presentarán una a una dentro de los antecedentes físicos propuestos en este trabajo.
AUTOR AÑO ESTUDIO CONCLUSIÓN
Apuntes del curso de
actualización docente
2012 “La astronomía y su
enseñanza en la
educación secundaria”
Taller para calcular la
temperatura de la Tierra con la
radiación de cuerpo negro
27
Neve Rui
Neves María
Teodoro Vítor
2014 “Teaching physics and
mathematics for earth
sciences with
computational
modelling”
Modelado de las leyes de
Radiación de cuerpo negro a
partir de Modellus.
Estudiantes de primer
semestre de universidad.
Balta Nuri 2016 “High School
Teacher’s
Understanding of
Blackbody Radiation.
International Journal
of Science and
Mathematics
Education.”
La mayoría de los docentes de
física no conocen sobre el
concepto de cuerpo negro.
Giraldo Lina 2017 “introducción al
concepto de cuerpo
negro en la educación
media”.
Diseño de una secuencia
didáctica para la enseñanza
del cuerpo negro, a partir de
conceptos básicos
contemplados dentro de los
lineamientos curriculares para
estudiantes de educación
media.
Tabla 6. Antecedentes didácticos en la enseñanza del cuerpo negro.
1.4.4. Radiación de Cuerpo Negro
1.4.4.1.Contexto histórico
El hablar de radiación consiste en dirigirse al estudio de ondas electromagnéticas,
partiendo de la teoría de Maxwell, las cuales muestran procesos ondulatorios con fenómenos
conocidos como la difracción y la interferencia de la luz. Desde el análisis de la teoría
corpuscular se tiene el estudio de los cuerpos macroscópicos, y la teoría microscópica ,
permite un análisis en cuanto a la mecánica estadística, para identificar el inicio de la
28
Mecánica Cuántica es posible ubicarse en 1.900, cuando no se lograba explicar, de manera
adecuada, el comportamiento de la radiación emitida por los cuerpos sólidos calentados.
Hay que mencionar, además, que hablar de radiación, es hablar de la emisión de
cualquier objeto, ya sea sólido o líquido, y que es debida únicamente a su temperatura,
presentando de esta manera un espectro particular para cada temperatura. De aquí surge la
necesidad de buscar una explicación para encontrar la función matemática que establece la
distribución de energía para cada frecuencia del espectro (Savall A, 2013). Se afirma además
que todo cuerpo que se encuentre a una temperatura superior al cero absoluto, emite
radiación, de donde la emisión es directamente proporcional al calor (Gonzalez, 2006).
Históricamente en concepto de cuero negro, en el área de la física, se ha involucrado
continuamente en la modelación teórica de fenómenos físicos, partiendo desde la época de
la Revolución Industrial, donde Gustav R. Kirchhoff (1824–87), fue el primero en identificar
el concepto como: “un cuerpo capaz de absorber y emitir al mismo tiempo toda la radiación
que incide sobre él”.
Por otro lado, en el libro de M. I. Mijailov, se indica, la necesidad de construir
máquinas eficientes y capaces de generar menos gastos, lo que permitió que durante esta
revolución la termodinámica fuera quien resolviera las problemáticas que conformaban la
gran revolución en la maquinaria y con estas la creación de la máquina de vapor, la cual no
proporcionaba el rendimiento necesario para la industria. Dando fin a la problemática de las
máquinas de vapor, Kirchhoff, en el año 1.862, formula la teoría de cuerpo negro, cambiando
el color del lugar donde se almacenaba el combustible.
Así mismo, se procede con este concepto, a generalizar problemáticas específicas de
la termodinámica, la ley de los gases y a su vez Kirchhoff expone las tres leyes que permiten
dar respuesta a la emisión energía de los cuerpos.
En 1.896, Wilhelm Wien y Otto Lummer, realizan aproximaciones desde el estudio
de la radiación de cuerpo negro, como el estado de equilibrio termodinámico, utilizando esta
teoría como la base de una práctica para producir radiación, asegurando que se necesita
calentar una cavidad a una temperatura uniforme y permitir que la radiación escape a través
de una apertura, estos dos científicos realizan diferentes experimentaciones para demostrar
29
la radiación en las cavidades, utilizando diferentes materiales, como: metales, hollín, óxido
de uranio, entre otros. Con estos experimentos se confirman las leyes de Boltzmann y ley de
desplazamiento de Wien. En capítulos posteriores se presentará el fundamento teórico de las
mismas, y como referente principal se conlleva la ley de radiación de cuerpo negro propuesta
por Planck, quien en el año 1.900 generó una ecuación para calcular la radiación de cuerpo
negro (Greenberger, 2009).
Físicamente el “cuerpo negro” se define como un cuerpo ideal que es capaz de
absorber toda la radiación que incide sobre él en términos de radiación (Kirchooff. 1862), al
hacer referencia a un cuerpo ideal se asume un cuerpo que cumple con ciertas condiciones
físicas estándares para el análisis de este. El modelamiento de un cuerpo negro se asume
como una cavidad radiante en el que se tiene en una pared un orificio muy pequeño, si un
rayo de luz atraviesa la cavidad, parte de la energía es absorbida por las paredes y la otra
parte es reflejada (Rochín, 2015).
Sin embargo, el fenómeno de la radiación de cuerpo negro, se da como un fenómeno
que no tiene explicación clásica, Albert Einstein, desde las ideas de Planck, sugirió que la
radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la
radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas
(Silvera, 1999, pág. 9).
Einstein, en 1.905, en su artículo, buscó dar explicación del fenómeno de absorción y
emisión de radiación, por tanto, estableció diferencias entre: los fenómenos ondulatorios, de
ondas electromagnéticas, tomando la radiación de un cuerpo negro en una cavidad,
evidenciando cambios de entropía de la radiación y los comparó con los cambios de entropía
de un gas ideal. Con esto postuló la ley de cuantos de luz (Rodríguez M, 2006).
1.4.4.2.Ley De Stefan Boltzman
En 1.879, Josef Stefan, un físico austriaco, descubre que la potencia emitida en la
radiación era proporcional a la cuarta potencia de la temperatura a la que se encuentra un
cuerpo negro de una forma empírica, en el año 1.884, Boltzmann, es quien deduce
teóricamente esta ley y a partir de ese momento, se conoce como la ley de Stefan-Boltzman,
30
la cual establece una relación matemática entre la temperatura de un cuerpo negro y la energía
neta emitida en todas las longitudes del espectro donde la potencia de la radiación emitida
por un cuerpo negro ideal está dada por la expresión:
𝑃(𝐴) = 𝐴𝜖𝜎𝑇 4 (1)
Donde 𝐴 es el área de la superficie de emisión, 𝜎 = 5.67𝑥10−8𝐽/𝑠𝑚2 𝐾4 es la
constante de Stefan-Boltzmann y 𝜖 es la emisividad de la fuente, es decir, la habilidad de los
cuerpos para emitir radiación, una vez se tiene un cuerpo con 𝜖 = 1 se establece un cuerpo
negro perfecto el cual está definida como:
𝜖 =𝑅𝑎𝑑𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡𝑜
𝑅𝑎𝑑𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝑛𝑒𝑔𝑟𝑜 . (2)
Así mismo, se encuentra una relación, donde la energía total emitida era proporcional a
la temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia,
𝐸 = 𝜎𝑇𝑒4 (3)
Donde y 𝑇𝑒 es la temperatura efectiva o temperatura absoluta, para la radiación del cuerpo
negro (Gallegos, 2004), y con la cual fue posible calcular, por primera vez, la temperatura de
la superficie del sol, para la cual, Stefan, logró un valor de la temperatura de la superficie del
Sol de 5713 K, que es, aproximadamente, el valor que se conoce en la actualidad y que
equivale a 5780 K.
Por otro lado, se puede obtener la temperatura de las estrellas asumiendo que estas
tienen un comportamiento como el de un cuerpo negro, es decir, que emiten radiación,
igualmente se logra obtener la luminosidad de las estrellas la cual está dada por
𝐿 = 4𝜋𝑅2𝜎𝑇4 (4)
Donde 𝜎 es la constante de Stefan Boltzman, R es el radio estelar, y T, es la temperatura de
la estrella. (Polanco & Arretche, 2011).
31
Stefan, publicó esta ley en el artículo «Über die Beziehung zwischen der Wärmestrahlung
undder Temperatur» (Sobre la relación entre la radiación y la temperatura térmica), en
el Boletín de las sesiones de la Academia de Ciencias de Viena.
1.4.4.3.Ley de desplazamiento de Wien
Por lo que se refiere a Wien, en 1.893, demostró mediante supuestos termodinámicos que
la densidad de energía 𝜀 de un cuerpo negro cumple con la condición:
𝜀(𝑉. 𝑇) = 𝑉3𝑓 (𝑉
𝑇) (5)
Reconociendo, que de la función 𝑓 (𝑉
𝑇) es una función, cuyo valor se desconoce y además
que de esta función se deduce la relación 𝜆𝑀𝑇 = cte (Wien, 1894).
Su ley de desplazamiento lo hizo merecedor del premio Nobel, en 1.911. Esta especifica
que hay una relación inversa entre la longitud de onda en que se produce el pico de emisión
de un cuerpo negro y su temperatura absoluta, evidenciando los picos producidos en el
espectro, es decir, los máximos de intensidad para una longitud de onda, mostrando como al
aumentar la temperatura, el valor máximo de las distribuciones se desplaza para longitudes
de onda menores (Rodríguez Mesa & Cervantes Cota, 2006).
Wien, para encontrar el calor de la constante de proporcionalidad tiene en cuenta entre
su desarrollo matemático que:
𝜆𝑀𝑇 = b
ℎ𝑐
5𝑘= 𝜆𝑇 (6)
Donde h es la constante de Planck, la cual equivale a ℎ = 6.62617𝑥10−34 𝑗. 𝑠. y 𝑐 =
2.9979𝑥108𝑚/𝑠 que corresponde a la velocidad de la luz (Mendoza Santos & Hernández
Sánchez) de los cuales al reemplazar los valores se tiene que:
(6.62617𝑥10−34 𝑗. 𝑠)(2.9979𝑥108𝑚/𝑠)
5(1.38066𝑥10−23𝐽/𝐾)= 𝜆𝑇
287.75𝑥10−5𝑚𝐾 = 𝜆𝑇 (7)
32
Por consiguiente 287.75𝑥10−5𝑚𝐾 = 𝑏 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑊𝑖𝑒𝑛.
Con esto, Wien, identificó esa función, que no se lograba conocer y la estableció como
función universal, propuso que: ρ(λ) =∆ε
∆v, donde la energía es directamente proporcional a
la velocidad al cuadrado de las partículas en un sólido a la temperatura T, de tal modo, que
dicha función debe tener una forma similar a la distribución de velocidades de Maxwell –
Boltzman de la cual resulta:
𝑓 (𝑉
𝑇) = 𝛼𝑒
−𝛽𝑣
𝑇 (8)
Esta ley de desplazamiento de Wien, aporta de forma significativa en los procesos
astronómicos, debido a que permite conocer la temperatura efectiva de cualquier cuerpo
astronómico si se tiene la longitud de onda o viceversa.
1.4.5. Radiación de cuerpo negro Planck
En el momento que Rutherford formuló su modelo, se conocía que este trataba de la
constante de Planck, y que fue introducida por Max Planck, cuando presentó un artículo sobre
la radiación de cuerpo negro en la Sociedad Física Alemana (Castillo, 1999). Luego de esa
gran disputa por encontrar esa relación matemática que permitiera encontrar la relación entre
la distribución de frecuencia de cada espectro Planck, a finales del año 1.900, logró
determinar una expresión que se acercaba a los datos experimentales. Suponiendo que las
paredes del cuerpo negro estaban formadas por resonadores, e introdujo la hipótesis: la
energía de los resonadores que vibran a una determinada frecuencia se intercambia en
cantidades finitas llamadas cuantos (Kuhn, 1880).
En 1.900, el físico alemán Max Planck, es el primer físico en hablar de cuantos de luz,
descubriendo una nueva ley que permite encontrar la distribución de la densidad de energía
de la radiación de un cuerpo negro, la cual, como afirma Ron, (2000) “es la radiación que
está en equilibrio con la materia, y por tanto absorbe y emite la misma cantidad de energía
para cualquier longitud de onda” pg 429 también explicado por Planck en 1900, quien, en
su afán por querer desarrollar una teoría macroscópica relacionadas con los principios de la
termodinámica y el electromagnetismo que obtuvieran el principio de irreversibilidad del
33
crecimiento de la entropía, planteó un estudio de interacción entre ondas electromagnéticas
y osciladores que permitan obtener un estado de equilibrio para la radiación de cuerpo negro
(Planck, 1901). Encontrando así, que la energía involucrada en la radiación de un cuerpo
negro está cuantizada y, por tanto, no se puede dividir de manera infinita y deduciendo que
𝐸 = ℎ𝑣
Además, argumentó que las propiedades termodinámicas de la radiación térmica emitida
por la materia debían ser las mismas independientemente del mecanismo de emisión y de las
suposiciones sobre la naturaleza de los átomos, estas ideas llevaron al desarrollo de la teoría
cuántica (Brush, 1987).
Planck, en el año 1.901 en su artículo “On the Law of the Energy Distribution in the
Normal Spectrum”. Realizó un breve recorrido por el artículo presentado por Planck , en el
cual introduce la cuantización energética en la física e indicó que, según las medidas
espectrales de Lummer & Pringsheim y Rubens y Kurlbaum (quienes confirman los
resultados obtenidos por Beckmenn), querían descubrir la ley de la distribución de energía
en el espectro normal, primero descrito por W. Wien en la consideración cinético-molecular
y después por la teoría de la radiación electromagnética, que por cierto afirmó no ser correcta.
El hecho de que la teoría de la radiación electromagnética incluya la hipótesis de la
“radiación natural”, indica que desde los cálculos se sabe que están libres de error, por tanto,
la ley de la distribución de energía en el espectro normal es totalmente definido si un cálculo
de la entropía de la irradiación monocromática de la vibración resonante como una energía
vibracional.
Por consiguiente, se dice que la relación 𝑑𝑆
𝑑𝑈=
1
𝑣 la cual mantiene la temperatura
dependiente de la energía U, hace que el problema total sea resuelto por la definición S
(Entropía) como una función de U (Energía). El primer problema en el trabajo realizado por
Planck es S, directamente definido con la verificación como la función simple de U, y tiene
un límite mostrado ya que la entropía satisface todos los requerimientos termodinámicos. Por
lo tanto, debe introducirse otra condición que permita cálculo de S como función, y para su
realización es necesario hacer una consideración más detallada sobre el concepto de entropía.
En la cual, la nueva expresión simple para entropía, así como la nueva fórmula para la
34
radiación, se encuentren por sí mismas, ambas contradicen ningún hecho establecido hasta
ese momento.
De aquí que Planck calcula la entropía para cualquier resonador en función de su energía,
y que se encuentra condicionada por un desorden, y este desorden, a su vez, de acuerdo con
la teoría de la radiación monocromática del espectro electromagnético, la vibración y la
resonancia en la no regularidad, cambia permanentemente su amplitud y su fase, ya que se
registra intervalos de tiempo que son largos en comparación con un tiempo de vibración, pero
corto en comparación con un tiempo de medición, con lo cual la entropía no debería existir
y la energía seria convertida en trabajo. Por ende, la energía U se mantiene constante de un
solo resonador vibratorio estacionario. Entonces una energía total de N osciladores situados
lo suficientemente separados se designa como:
𝑈𝑁 = 𝑁𝑈 (9)
Es decir, corresponde a una entropía total de 𝑆𝑁 = 𝑁𝑆
Igualmente, se supone una entropía 𝑆𝑁 de un sistema con una constante de proporcional al
logaritmo de la probabilidad W con la que N resonadores poseen una energía 𝑈𝑁 .
𝑆𝑁 = 𝑘 ln 𝑊 + 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 (10)
Para encontrar una probabilidad W de que los resonadores N manifiesten una energía 𝑈𝑁 ,
es necesario imaginar un valor discreto de la 𝑈𝑁 , la cual está compuesta por un número entero
de partes iguales finitas. Asignando nombre de energía 𝜀 se supone que:
𝑈𝑁 = 𝑃𝜀 (11)
Donde P corresponde al valor del número entero, pero en cual 𝜀 aún no se encuentra
definido, es decir, que la distribución P de elementos de energía entre los resonadores de N
puede suceder por un número limitado. Ante esto se establece los resonadores por números
enteros 1, 2, 3,..., N, los cuales son escritos en una fila entre sí, y debajo de cada resonador
coloca una serie de elementos de energía que caen en una distribución arbitraria,
Considerando N=10 y P=100, por lo que para cada complexión se obtiene un símbolo de la
siguiente forma:
35
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
7 38 11 0 9 2 20 4 4 5
Lo que permite una deducción en el número de todas las combinaciones posibles como:
ℜ =𝑁∙(𝑁+1) ∙(𝑁+2) …(𝑁+𝑃−1)
1∙2∙3….𝑃=
(𝑁+𝑃−1) !
(𝑁−1)!𝑃! (12)
Y realizando una aproximación Stirling se cumple que 𝑁! = 𝑁𝑁
De tal forma que:
ℜ =(𝑁+𝑃)𝑁+𝑃
𝑁𝑁 𝑃𝑃 (13)
Se debe agregar que Planck, planteó la hipótesis de que la probabilidad de que N
resonadores posean energía vibratoria es proporcional al número de todas las posibles
complexiones con energía 𝑈𝑁 distribuida entre N resonadores, partiendo de esta hipótesis, la
entropía del sistema considerado de resonadores es:
𝑆𝑁 = 𝑘 ln ℜ = 𝑘{(𝑁 + 𝑃) ln(𝑁 + 𝑃) − 𝑁 ln 𝑁 − 𝑃 ln 𝑃} (14)
Por lo cual, define la entropía de un resonador en función de su energía como:
𝑆 = 𝑘 {(1 +𝑈
𝜀) ln(1 +
𝑈
𝜀) −
𝑈
𝜀ln
𝑈
𝜀} (15)
Así mismo, Planck estableció la relación entre la ley de desplazamiento de Wien como un
caso particular de la ley de Stefan-Boltzmann, por tanto, enuncia que:
𝐸 ∙ 𝑑𝜆 = 𝓋 5Ψ(𝜆𝓋) ∙ 𝑑𝜆 (16)
Donde 𝜆 es la longitud de onda, 𝐸 ∙ 𝑑𝜆 corresponde a la densidad de volumen del corte
espectral en el intervalo de 𝜆 𝑦 𝜆 + 𝑑𝜆 , la cual pertenece a la radiación de cuerpo negro, 𝓋
corresponde a la temperatura y Ψ(x) en la función conocida.
Generalizando la ley de Thiesen´s sobre la radiación con la propagación de la luz c,
considerando una radiación monocromática se tiene en cuenta la comparación de diferentes
medios, donde el número de vibraciones 𝑣 se debe introducir en vez de la longitud de onda
36
𝜆, generando la nueva relación para la densidad de volumen y permite relacionarla con la ley
de Kirchhof-Clausius´s, se establece que:
𝒖 =𝓋5
𝑣5 𝑐3 𝑓(𝓋
𝑣) (17)
Se evidencia que 𝑓 no depende de 𝑐.
Para pasar de la densidad volumétrica de radiación 𝒖 a la energía 𝑈 del resonador en
el campo de radiación y vibrando estacionariamente con el mismo número de vibraciones 𝑣
, se utiliza la relación descrita por Planck en el año 1.900, citada en el artículo Planck (1901).
ℜ =𝑣2
𝑐2 ∙ 𝑈 (18)
Siendo ℜ la intensidad del haz monocromático polarizado, la cual produce la relación
𝒖 =8𝜋 𝑣2
𝑐3 𝑈 (19)
Partiendo de que:
𝒖 =𝑣3
𝑐3 𝑓(𝓋
𝑣) (20)
Se tiene que:
𝓋 = 𝑣𝑓(𝑈
𝑣 ) (21)
Introduciendo la entropía en el resonador finalmente se obtiene que:
1
𝓋=
𝑑𝑆
𝑑𝑈 (22)
Y como 𝑑𝑆
𝑑𝑈=
1
𝓋𝑓(
𝑈
𝑣 ) y realizando la integración se consigue:
𝑆 = 𝑓(𝑈
𝑣 ) (23)
Lo que indica que la entropía del resonador que vibra depende únicamente de 𝑈/𝑣 y
mantiene las constantes universales.
37
Volviendo a la ley de desplazamiento de Wien, donde expresa la entropía S, se
observa que el elemento de energía 𝐸 debe ser proporcional al número de vibraciones ν,
entonces:
𝐸 = ℎ𝑣 (24)
Donde se establece que:
𝑆 = 𝑘 {(1 +𝑈
ℎ𝑣) ln(1 +
𝑈
ℎ𝑣) −
𝑈
ℎ𝑣ln
𝑈
ℎ𝑣} (25)
Donde h y k son constantes universales
Se deduce la fórmula de distribución espectral del cuerpo negro derivada por Planck, o
primera estadística cuántica que satisface la ley de Wien (Planck, 1901) , la cual está dada
por la expresión:
Donde reemplazando en 1
𝓋=
𝑑𝑆
𝑑𝑈 se establece:
1
𝓋=
𝑘
ℎ𝑣ln(1 +
ℎ𝑣
𝑈) (26)
En la cual:
𝑈 =ℎ𝑣ℎ𝑣
𝑒𝑘𝓋 −1
(27)
Se encuentra la ley de distribución como:
𝒖 =8𝜋ℎ𝑣3
𝑐3 .1
ℎ𝑣
𝑒𝑘𝓋−1
(28)
O por el contrario teniendo en vez de vibraciones longitudes de onda se establece:
𝑬 =8𝜋𝑐ℎ
𝜆5 .1
𝑐ℎ
𝑒𝑘𝓋𝜆−1
(29)
Que permite presentar en un desarrollo matemático completo en el trabajo de investigación
(Giraldo, 2017).
38
Para encontrar los valores numéricos de las constantes h y k se tienen en cuenta las
mediciones de F. Kurlbaum en el año 1.898, y retomados por Planck (1.901), quien descubrió
que si se designa 𝑆𝑡 la energía total que se irradia en el aire en 1 segundo desde la superficie
de 1𝑐𝑚2 del cuerpo negro expuesto con t°, es posible decir:
𝑆100−𝑆0 = 0,0731𝑊𝑎𝑡𝑡
𝑐𝑚2 = 7.31𝑥105 𝑒𝑟𝑔
𝑐𝑚2 𝑠𝑒𝑔 (30)
De donde resulta la densidad de volumen de la energía de radiación como:
4∙7,31𝑥 105
3𝑥 1010 (3734 −2734 )= 7.061𝑥10−15 𝑒𝑟𝑔
𝑐𝑚2 𝑔𝑟𝑎𝑑4 (31)
De otra manera la densidad de volumen de la energía de radiación para 𝓋 = 1
corresponde a:
𝒖 = ∫ 𝒖𝑑𝑣∞
𝟎=
8𝜋ℎ𝑣3
𝑐3 ∫𝑣3𝑑𝑣
ℎ𝑣
𝑒𝑘𝓋−1
∞
0 (32)
=8𝜋ℎ
𝑐3∫ 𝑣3 (𝑒
−ℎ𝑣𝑘 + 𝑒
−2ℎ𝑣𝑘 + 𝑒
−3ℎ𝑣𝑘 + ⋯ ) 𝑑𝑣
∞
0
𝒖 =8𝜋ℎ
𝑐3.6 (
𝑘
ℎ)
4
(1 +1
24+
1
34+
1
44+ ⋯ )
𝒖 =48𝜋 𝑘4
𝑐3 ℎ3 . 1.0823 (33)
Y de lo cual, se asume que es igual a 7.061𝑥10−15 y que 𝑐 = 3𝑥1010
𝑘4
ℎ3 = 1.1682𝑥1015 (34)
Lummer y Pringsheim en 1.900, y retomado por Planck (1901), determinaron el producto
entre 𝜆𝑚 𝓋 en el cual 𝜆𝑚, corresponde a la longitud de onda máxima de la 𝐸 en el aire para
una temperatura de 2940𝜇𝑔𝑟𝑎𝑑 como 𝜆𝑚 𝓋 = 0.294𝑐𝑚. 𝑔𝑟𝑎𝑑
Además, suponiendo que la derivada de la 𝐸 en funcion de 𝜆 es igual a cero entonces 𝜆𝑚 =
𝜆 de lo cual se deduce que:
39
(1 −𝑐ℎ
5𝑘 𝜆𝑚𝓋) . (𝑒
𝑐ℎ
5𝑘 𝜆𝑚𝓋 ) = 1 (35)
Por tanto:
𝜆𝑚 𝓋 =𝑐ℎ
4.9651.𝑘 (36)
Finalmente se tiene:
ℎ
𝑘=
4.9651 ∙0.294
3𝑥1010 = 4.866𝑥10−11 (37)
Encontrando los valores de las constantes universales definidas como la constante de
Planck ℎ = 6.55𝑥10−27𝑒𝑟𝑔. 𝑠𝑒𝑐 y la constante de Boltzman, que relaciona la temperatura
absoluta con energía 𝑘 = 1.346𝑥10−16𝑒𝑟𝑔/𝑔𝑟𝑎𝑑.
1.4.6. Radiación Cósmica De Fondo
El Big Bang es la teoría de la creación del universo, expone que el universo se creó por
una explosión, partiendo de temperaturas muy altas por la concentración de materia.
Teniendo en cuenta esta teoría, la radiación cósmica de fondo puede autenticar algunos
aspectos de la creación del universo junto con una de sus principales características; la
expansión.
La radiación electromagnética que emite el universo se nombra también como la radiación
de fondo de microondas, ya que se parece a su funcionamiento en materia de la longitud de
onda que emite esta radiación. Se plantea entonces que la luz que se percibe tiene un retraso,
por lo tanto, no se ve la luz emitida en ese momento, sino la luz de hace un determinado
tiempo, con lo anterior, se pretende decir que si se avanza en el espacio o el universo, se
sigue percibiendo la luz emitida del pasado hasta llegar al inicio del universo. De esta manera
la teoría del Big Bang, llega a tomar más credibilidad, puesto que se evidencia su constante
expansión, y que puede ser evidenciada mediante la figura No 4 (Crespo, 2017).
Los primeros en descubrir la radiación cósmica de fondo fueron Penzias y Wilson en el
año 1965 quienes investigaban el funcionamiento de un satélite meteorológico artificial
quienes en el año 1978 reciben el premio nobel y con estas experimentaciones determinan en
40
el espectro continuo el máximo de la curva de Planck para el cual equivale a una temperatura
de 2,7°K, pero es importante resaltar como antes de estos dos científicos en el año 1963 los
científicos Rusos A. G. Doroshkevich y I.I. Novikov inidcan en su artículo titulado “Mean
Density of radiation in the Metagalaxy and certain problems of relativistic Cosmology” que
es posible observar un equilibrio según lo establecido por la radiación de Planck con una
temperatura de 1 − 10° (Balet, 1993).
Hawking & Jou, 2002 establecen en su libro El universo en una cáscara de nuez que “la
Radiación correspondiente al resplandor del universo primitivo caliente, actualmente está tan
desplazada al rojo que no se presenta como luz sino como microondas (con una longitud de
onda de unos pocos centímetros)” (Pérez, 2015).
Tras crear una antena de un poco más de seis metros, con una funcionalidad para
observar posibles microondas de la vía láctea. En 1965, Wilson y Penzias G detectaron una
radiación proveniente de otra parte, realizando mediciones del ruido emitido por la atmósfera
a frecuencias correspondientes a microondas al realizar pruebas estas emisiones no venían
de la tierra, por lo que mencionaron que la radiación era de origen cósmico porque se
presentaba en todas las direcciones y era una señal uniforme con una temperatura de tres
grados kelvin, que es por debajo del creo absoluto para lo cual indican que estas radiaciones
provenían del Big Bang (Arzayús S. , 2011).
Figura 4. Fotografía tomada por Planck CMB (fondo cósmico de microondas).
41
Se le denomina fondo porque no tiene nada detrás, en este caso luz, y microondas
porque “la luz que se observa a estado viajando por tanto tiempo que la expansión del
universo le ha robado energía”. (Crespo, 2017).
Esta imagen hizo que los físicos dedujeran que la luz surge desde un punto, o en este
caso el universo, se denomina que el universo era muy denso y con una temperatura elevada
en la que los átomos no podían existir, ya que poseían bastante energía para mantenerse
estables los protones y electrones, por lo tanto, la luz que se mantenía en este punto no podía
desplazarse con facilidad, esto debido a que la luz interactúa instantáneamente con un cuerpo
con carga, el rayo de luz se mantenía constantemente chocando con las partículas. Pero, al
momento de expandirse el universo, hizo que la temperatura bajara, a causa, la carga de los
fotones también disminuyó, creando así los átomos. Al crearse los átomos, se regulan las
cargas, esto da paso a que la luz se desplace libremente por el espacio, creándose el fenómeno
de la luz. Así entonces, detectar el eco del universo, permitió la formación del CMB (fondo
cósmico de microondas). (Mather J. , y otros, 1990).
A partir de los datos obtenidos por el instrumento FIRAS (Far Infrared Absolute
Spectrophotometer) a bordo del satélite COBE, quien mide temperaturas de la radiación
cósmica de fondo, y que en declaraciones hechas por Mather J. C., y otros, (1990) y
retomadas por Arzayús S. T., (2010), respecto a que el espectro posee una distribución
espectral Plankiana como se evidencia en la figura No 5, que presenta una temperatura
aproximada de 2,726 ± 0.010 grados kelvin, y en la que se puede afirmar: se aproxima a la
temperatura efectiva del Universo.
A su vez, con los datos observados en la figura No 5 se realiza un ajuste de datos,
consiste en efectuar la conversión de la frecuencia que se encuentra en unidades de ciclos por
centímetros a longitud de onda expresada en metros, en los cuales se evidencia el mismo
comportamiento espectral de cuerpo negro en relación con la longitud de onda, y que se
localiza emitiendo, ver la figura No 6.
Es importante aclarar que para el desarrollo de la presente propuesta investigativa no
se tuvo en cuenta el margen de error establecido.
42
Teniendo en cuenta que el número de onda está dado por:
�̃� =1
𝜆 (38)
Y Sabiendo que un ciclo comprende 2π radianes, a partir de la definición de número de
onda se obtiene el número de onda circular:
𝑘 =2∗𝜋
𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠
𝑐𝑒𝑛𝑡𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜) (39)
De los datos originales se puede deducir que:
0,00106𝐾
5,6=
𝜆
𝑓
0,000189 ∗ 𝑓 = 𝜆 (40)
Con la curva generada luego del reajuste de los datos se tiene que el pico máximo de
emisión presenta una longitud de onda de 0,00114128𝑚 y con ayuda de la ley de Wien se
puede aproximar a la temperatura efectiva.
.
287 .75𝑥 10−5𝑚𝐾
𝜆= 𝑇 (41)
𝑇 =0,0028978𝑚𝐾
0,00114128𝑚
𝑇 = 2,5325𝐾 (42)
Frecuencia
Relación
longitud onda y
temperatura
Luminosidad 10-4
ergs/sec/cm*2/sterdion/cm*-
1
T (K)
1,1 0,000208214 0,2 13,9173931
1,6 0,000302857 0,3 9,56820776
2 0,000378571 0,4 7,65456621
2,2 0,000416429 0,5 6,95869656
2,4 0,000454286 0,6 6,37880518
43
2,6 0,000492143 0,7 5,88812785
3 0,000567857 0,78 5,10304414
3,2 0,000605714 0,84 4,78410388
3,5 0,0006625 0,95 4,37403783
3,6 0,000681429 1 4,25253678
3,8 0,000719286 1,025 4,02871906
4,2 0,000795 1,07 3,64503153
4,25 0,000804464 1,1 3,60214881
5 0,000946429 1,15 3,06182648
5,4 0,001022143 1,145 2,83502452
5,6 0,00106 1,14 2,73377365
5,9 0,001116786 1,138 2,59476821
6,2 0,001173571 1,13 2,46921491
6,45 0,001220893 1,1 2,3735089
6,7 0,001268214 1,05 2,28494514
7 0,001325 1,045 2,18701892
7,4 0,001400714 1 2,06880168
7,7 0,0014575 0,945 1,98819902
7,8 0,001476429 0,93 1,96270928
8,1 0,001533214 0,88 1,89001635
8,4 0,00159 0,82 1,82251576
8,7 0,001646786 0,79 1,75967039
9 0,001703571 0,75 1,70101471
9,4 0,001779286 0,7 1,62863111
9,6 0,001817143 0,65 1,59470129
9,8 0,001855 0,6 1,56215637
10,3 0,001949643 0,58 1,48632354
10,5 0,0019875 0,55 1,45801261
10,7 0,002025357 0,48 1,43076004
11 0,002082143 0,45 1,39173931
11,3 0,002138929 0,43 1,35479048
44
11,5 0,002176786 0,39 1,33122891
Tabla 7. Ajuste de datos reales obtenidos por FIRAS.
Figura 5. Curva teórica de cuerpo negro superpuesta a los datos obtenidos por FIRAS (1990).
Figura 6. Curva teórica de cuerpo negro superpuesta a los datos obtenidos por FIRAS en función de la
longitud de onda.
Así mismo la tabla No 7 evidencia, en color amarillo, el valor aproximado de la
temperatura efectiva del universo luego de realizar los ajustes al espectro obtenido por
FIRAS,
45
2. CAPÍTULO II
2.1.DESARROLLO METODOLÓGICO
El presente capítulo describe el desarrollo metodológico de investigación que se tuvo en
cuenta para el cumplimiento de la propuesta presentada que tiene como finalidad
implementar una serie de actividades en un club de Astronomía. Estas actividades están
enfocadas en estimar la temperatura efectiva del Universo. Además, se describe el proceso
del diseño, validación y aplicación de los instrumentos empleados como el cuestionario y el
análisis documental de una serie de actividades, así mismo, se presenta las fases en las que
se llevó a cabo la investigación desde la modalidad de profundización.
2.1.1. Enfoque y método de investigación
Al hablar de un proceso o desarrollo metodológico es necesario centrarse en un modelo
o paradigma de investigación, en este caso será lo que permita profundizar el análisis
propiamente de cada una de las actividades realizadas. En este apartado, se presentan una
serie de paradigmas de investigación y enseguida se realiza un énfasis en el paradigma que
compete a esta investigación.
Con respecto a esto tiene la definición del concepto de paradigma planteada por Kuhn
(1996), quien expresa “considero a los paradigmas como realizaciones científicas
universalmente reconocidas que, durante cierto tiempo, proporcionan modelos de problemas
y soluciones a una comunidad científica” (pág. 13), lo cual conlleva a una serie de modelos
o procesos, que se deben seguir para atribuir a la investigación científica, de tal modo que
este proporcione un camino, un medio o una guía para el desarrollo de la misma.
De este modo se presentan tres paradigmas de investigación propuestos por De la
Latorre, Arnal y Del Rincón, (1996), y retomados por Sánchez, (2013): el primero es el
empírico-analítico el cual indica que todo conocimiento es válido y admitido hasta que este
no es corroborado a partir de la experiencia, lo que se conoce como una postura positivista,
es decir, que es lógico y deductivo de un carácter cuantitativo y experimental que permiten
validar leyes o los fenómenos con fundamentos estadísticos controlador de variables desde
46
el carácter numérico (Ricoy, 2006). Además, la forma de observar del investigador es de
forma objetiva; El segundo es el paradigma interpretativo que propone un carácter de
investigación cualitativo desde ciertos enfoques como la hermenéutica, fenomenología el
interaccionismo simbólico entre otros, este paradigma permite describir y comprender la
realidad; el tercer paradigma propuesto es el sociocrítico, según lo propuesto por Arnal
(1.992) la teoría critica es una ciencia social que no es empírica, ni interpretativa, en la que
los aportes se originan de los estudios de las investigaciones (p.98). Retomado por (Garcia,
2008) quienes también suponen que este paradigma da una visión global y lógica de la
realidad educativa.
En relación con lo anterior, se plantea una metodología para la presente investigación de
corte cualitativa, fenomenológica descriptiva, la cual permite comprender los fenómenos a
partir de la exploración de los participantes en el ámbito que nos situemos, en este caso desde
el contexto dentro de un club de Astronomía (Fernández. 2.014). Strauss y Corbin (1.990),
citado por Vasilachis de Gialdino, (1992) indican que los componentes más importantes en
la investigación cualitativa son: 1 Entrevistas, 2 Observaciones 3. Informes escritos o
verbales; además se establece la no medición numérica de datos, es decir, no se realizan
análisis estadísticos, pero según lo expuesto por (Páramo , 2008) se puede interpretar que
todos los datos cuantitativos conllevan a un análisis cualitativo y a su vez los datos
cualitativos están al alcance de brindar datos estadísticos o cuantitativos.
El proceso de investigación cualitativa permite dar respuesta a la pregunta de
investigación planteada gracias al análisis amplio que se puede realizar con la recolección de
datos como evidencias de trabajo en el Club, presentando ventajas y desventajas que
surgieron en el desarrollo de las actividades y con esto los avances en los procesos de
enseñanza-aprendizaje en los estudiantes que forman parte del club.
2.1.2. Técnicas de la investigación
Se refieren a técnicas de investigación todos los procesos que se llevan a cabo para
recolectar la información necesaria en todo proyecto investigativo, estas pueden ser: diarios
de campo, entrevistas, cuestionarios, entre otros, Paramo (2008). La presente investigación
se llevó a cabo a partir de la implantación de un cuestionario -fuente principal para generar
una actividad- que dio cuenta de las categorías establecidas y el análisis de contenido a partir
47
de la implementación de dos actividades didácticas que conllevaron a la identificación y
aproximación de la temperatura del Universo, realizado por los estudiantes de un Club de
Astronomía.
2.1.2.1.El cuestionario
Es una técnica de recolección de datos que permite ser utilizada en los enfoque
cualitativos y cuantitativos, facilita el análisis de una forma homogénea, según (Brace, 2008)
y retomado por Sampieri (2006), se dice que un cuestionario es la unificación de varias
preguntas que giran en torno a un a una o más variables, las cuales se desean medir. Se
consideran dentro de las mismas dos tipos de preguntas -abiertas o cerradas-. El tipo de
preguntas depende de la pregunta de investigación que estable el investigador, teniendo en
cuenta qué y cómo preguntar.
Se debe agregar que, las preguntas abiertas son aquellas que no delimitan las opciones de
respuesta y que permiten generar al investigador una serie de categorías de su investigación
más profundas, amplían la información de la que el investigador dispone. Contrario, es lo
que sucede con las preguntas cerradas, estas delimitan las respuestas y las posibles categorías
de análisis que son previamente definidas por el investigador. García, (2003), expone la
diferencia entre entrevista y cuestionario en la que se establece que existe una relación
mínima entre los sujetos encuestados y el investigador.
2.1.2.2.Análisis del contenido
Se entiende por análisis de contenido a todos aquellos análisis interpretativos que se
realizan por lo general a textos, diálogos y discursos, además de permitir un análisis adecuado
de instrumentos de búsqueda de información como lo son cuestionarios, guías, talleres, entre
otros, permitiendo generar un alto nivel de objetividad en el propio análisis de los datos que
se obtienen (Bardin, 1996, pág. 7).
A su vez Pick y López, (1990) y retomado por Páramo, (2008, pág. 206) define el análisis
de contenido como “el estudio de las diferentes partes de un documento que se esté revisando
de acuerdo a las categorías preestablecidas por el investigador” lo que significa que el
investigador debe tener las categorías identificadas para el análisis adecuado del contenido,
48
estas son establecidas a partir del objeto de estudio, instaurando en la presente investigación
un análisis de documentos de las guías elaboradas por los estudiantes de un club de
Astronomía que se exponen más adelante.
Para lo anterior se tienen tres niveles de análisis de los contenidos: el primero es la
descripción de la información donde se realiza una lectura superficial de los documentos,
estableciendo criterios de selección; el segundo nivel, corresponde a la clasificación de la
información y la construcción de categorías de análisis; el tercer nivel, conlleva a la
comprensión de la información, que es posible realizar a partir de esquemas o cuadros que
permiten identificar y comprender la información como lo expone Ruiz (2004) y retomado
por Páramo, (2008, pág. 207).
2.1.3. Diseño y validación de instrumentos
Con la elaboración y validación de las actividades se pretende que los docentes, de
cierto modo, no improvisen sus conocimientos, que de una u otra forma adviertan la
necesidad de diseñar e implementar herramientas para el proceso de enseñanza-
aprendizaje del estudiante, en pro del desarrollo de habilidades propias del estudiante y
que de una u otra forma despierten en el estudiante motivaciones por las mismas (Cisterna
Cabrera, 2015).
De igual manera, como se puede referenciar en este apartado, desde la mediación
pedagógica por Gutiérrez Prieto, (1992), quien indica cómo las herramientas presentadas a
los estudiantes deben ser claras coherentes y concisas con el fin de que llamen la atención de
los estudiantes y a su vez sean presentadas de tal forma que se note un diseño, una
metodología implantada en las herramientas con discursos integrales y ligados unos con
otros.
La validación de los instrumentos y de las actividades se realiza a partir de tres
estamentos: el primer estamento es la validación por un experto, se contará con la validación
de un docente del Planetario de Bogotá y un docente de un club de Astronomía; el segundo
49
estamento es la validación por un par académico; el tercer estamento es la validación por un
grupo piloto de un club de Astronomía de Bogotá (Cisterna Cabrera, 2015).
2.1.3.1.Cuestionario
Según lo propuesto anteriormente, se propone, como instrumento de recolección de
los datos, realizar un cuestionario previo a los integrantes del club, con el fin de identificar
las ideas que tienen en cuanto a las categorías establecidas previamente de calor y
temperatura y si estas están relacionadas de una u otra forma con el concepto de radiación
de cuerpo negro.
Inicialmente, se presenta un cuestionario con diez preguntas abiertas y cerradas, en él
se establecen dos categorías iniciales, la primera categoría establece la relación de calor
y temperatura y la segunda establece las ideas previas que tienen los estudiantes frente a
la clasificación de las estrellas.
Luego de la validación por un experto y por pares académicos, se realiza el proceso
de mejora, y el resultado es un cuestionario de cinco preguntas abiertas manteniendo las
mismas categorías de análisis. A continuación, se presentan los cuestionarios elaborados.
Cuestionario inicial
El presente cuestionario tiene como fin conocer algunas de las ideas que usted tiene frente
a ciertos conceptos para así dar inicio a las actividades previstas dentro del club de
Astronomía de la institución. Esta prueba no tiene ninguna calificación, no hay respuestas
malas, sólo queremos conocer sus saberes previos frente al tema además es importante
aclarar que este cuestionario es de total confidencialidad, con el fin aportes al proyecto de
investigación “Enseñanza de la Astronomía a partir del concepto de Cuerpo Negro en
CLUB DE ASTRONOMÍA
ALTAIR “fly trough skies”
FECHA: DÍA _____ MES _____ AÑO_____
DOCENTE: LINA MARCELA GIRALDO ÁVILA
50
un Club de Astronomía”. Agradezco su colaboración y tiempo en la realización del
presente cuestionario.
Instrucciones:
Lee cada pregunta cuidadosamente, ya que se incluyen preguntas de análisis es
decir preguntas abiertas en las cuales se solicita el favor de ser lo más detallado posible en
sus respuestas. En las preguntas que se indican sí o no por favor marque con una x la opción
que considere.
1. ¿Si se somete una varilla de hierro a altas temperaturas el color cambiara?
Sí:_____ No:_____
¿Por qué?
2. En un día soleado se colocan 4 cartulinas de colores diferentes, una de color verde,
azul, blanca y negra en el patio de tu casa y sobre ellas se coloca un 1 cubo de hielo,
indique en orden decreciente en que cartulina se derrite más rápido el hielo donde
el 1. Es el que se derrite más rápido ¿Por qué?
a. Verde
b. Azul
c. Blanca
d. Negra
3. Imagina que tienes dos latas de aluminio, una está pintada por dentro de negro con
pintura de esmalte, y la otra no, pones esto en el patio de tu casa de tal modo que
los rayos del sol llegan a estas, introduces un termómetro dentro de cada lata y se
registran durante el mismo tiempo los datos de temperatura.
¿Cuál de las latas crees que adquirió mayor valor de la temperatura?
a. El de la lata sin pintar.
b. El de la lata pintada de color negra.
c. Las dos mantienen la misma temperatura.
¿Por qué?
51
4. ¿es posible clasificar las estrellas?
Sí:_______ No:__________
¿De qué manera?
5. ¿Para usted, que es un agujero negro?
6. ¿Qué cuerpos son capaces de absorber toda la energía radiante?
7. ¿Para usted, qué es un cuerpo negro? Si es necesario explíquelo mediante dibujos.
8. La temperatura efectiva está definida como la cantidad de calor que un cuerpo
celeste radia por unidad de superficie. De lo anterior
¿Sería posible aproximar la temperatura del sol?
Sí: _____ No:______
¿De qué manera?
9. ¿Es posible conocer la temperatura efectiva de todas las estrellas?
Sí:_____ No:____
¿Por qué?
52
10. ¿Cree que es posible estimar la temperatura efectiva del Universo?
Sí:_____ No: ______
¿Cómo crees que se podría estimar?
Sexo: Femenino__ Masculino___ Edad: ______ Curso: ____
Cuestionario Final
CUESTIONARIO
El presente cuestionario tiene como fin conocer algunas de las ideas que usted tiene frente
a ciertos conceptos para así dar inicio a las actividades previstas dentro del club de
Astronomía de la institución.
Esta prueba no tiene ninguna calificación, no hay respuestas malas, sólo queremos
conocer sus saberes previos frente al tema, todo enmarcado desde la investigación
“Enseñanza de la Astronomía a partir del concepto de Cuerpo Negro en un Club de
Astronomía”. Agradezco su colaboración y tiempo en la realización del presente
cuestionario.
Las siguientes preguntas son preguntas abiertas en las cuales se pide el favor de ser lo
más claro posible a la hora de contestarlas. Utilice los espacios que se establecen para
contestar.
1. ¿Si se somete una varilla a altas temperaturas el color cambiar? ¿Por qué?
CLUB DE ASTRONOMÍA
ALTAIR “fly trough skies”
FECHA: DÍA _____ MES _____ AÑO_____
DOCENTE: LINA MARCELA GIRALDO ÁVILA
53
2. Si en un día soleado se colocan 4 cartulinas una de color verde, azul, blanco y
negra en el patio de tu casa y sobre ellas pones 1 cubo de hielo ¿Cuál de los hielos
se derrite primero? ¿Por qué?
3. Imagina que tienes dos latas de aluminio, una está pintada por dentro de negro
con pintura de esmalte, y la otra no, pones esto en el patio de tu casa de tal modo
que los rayos del sol llegan a estas, introduces un termómetro dentro de cada lata
y se registran datos de temperatura. ¿Cuál de las latas crees que adquirió mayor
valor de la temperatura? ¿Por qué?
4. ¿Cómo se pueden clasificar las estrellas?
54
5. ¿Cómo se podría saber la temperatura efectiva de los diferentes cuerpos celestes?
Sexo: Femenino__ Masculino___ Edad: ______ Curso: ____
2.1.3.2. Etapas de la investigación
Se plantean cuatro fases para la elaboración de este proceso de investigación de la
siguiente manera:
1. Revisión, análisis y selección de documentos relacionados con la propuesta de
investigación, consulta de clubes de astronomía en Bogotá para el año 2018.
2. Conformación y divulgación del club de Astronomía en la institución y diseño de
instrumentos.
3. Aplicación de un cuestionario de ideas previas a los estudiantes para la validación de
las preconcepciones que tienen sobre el calor y la temperatura, implementación de las
actividades.
4. Conclusiones y divulgación de resultados.
55
Figura 7. Esquema metodológico desarrollo de la investigación.
2.1.3.3.Serie de Actividades
Dentro del análisis de contenido y dando respuesta a la pregunta problema la cual tiene
como objeto de estudio la enseñanza de la astronomía, se establecen tres actividades, que se
presentan a los estudiantes, en ellas se pudo evidenciar el alcance de los estudiantes teniendo
como referencia los lineamientos establecidos por el Ministerio de Educación Nacional
(MEN) para aproximarse a la temperatura efectiva del universo mediante el concepto de
radiación de cuerpo negro.
56
Actualmente la educación en Colombia está regida por competencias y de estas se
establece que el mejor modelo para aplicar enseñanza por competencias es la implementación
de secuencias y actividades didácticas, estas indican que los estudiantes no deben aprender
contenidos específicos, por el contrario, es más propicio que adquieran habilidades y
competencias en pro de ellos mismos, por tanto, se proponen las actividades didácticas que
corresponden a herramientas previamente estructuradas y coherentes, que permiten orientar
prácticas y objetivos de los docentes con la participación activa de los estudiantes desde
procesos de aprendizaje y evaluación,
La actividad uno (1) que se presenta surge del análisis del cuestionario presentado a los
participantes del club, la actividad dos (2) se encuentra previamente diseñada por el
investigador.
Estas actividades cuentan con estrategias que permiten al estudiante recolectar datos
reales, ya que de esta forma la motivación del estudiante va a ser mayor, debido a que es más
factible que el estudiante adquiera un conocimiento significativo a partir de la experiencia,
como lo es el caso de los espectros electromagnéticos de las estrellas, los cuales son obtenidos
de instrumentos especializados lo que permite la obtención de datos reales, y no, simulados.
Como herramienta de aprendizaje se propone en la segunda actividad un aporte a los
docentes y estudiantes en la aproximación de la temperatura del universo, en esta se solicita
al estudiante que a partir del espectro obtenido por FIRAS, y posteriormente reconstruido,
construya un nuevo espectro, el cual debe encontrarse en función de la temperatura. Para lo
que se hace necesario que estudiante realice un proceso matemático, presentado en la
actividad propuesta número uno.
Actividad Objetivo Desarrollo
Cuestionario
Reforzar ideas previas de
las estudiantes
establecidas a partir del
análisis de preguntas
abiertas.
Se establece la actividad No 1.
57
Actividad
No 1
Cuerpo negro y su
relación con
cuerpos celestes
Relacionar la teoría de
radiación de cuerpo
negro con la temperatura
efectiva de una estrella.
En el desarrollo de esta actividad se
plantea como objetivo determinar la
temperatura del sol a partir de la teoría
de radiación de cuero negro.
Como ya se ha dicho es fundamental el
utilizar datos reales en la investigación
para esto, se presenta el espectro de
emisión del sol obtenido de forma real
por C. A. GUEYMARD, D. M. (2002).
Proposed reference irradiance spectra
for solar energy systems testing.
Elsevier science Ltd, 73 (6), 443-467.
Actividad
No 2
Propuesta de
enseñanza de la
Astronomía para
calcular la
temperatura
efectiva del
universo a través
del concepto de
cuerpo negro.
Aproximar la
temperatura efectiva del
universo a partir de datos
reales.
Los datos suministrados en la
guía son obtenidos por el instrumento
FIRAS (Far Infrared Absolute
Spectrophotometer) a bordo del satélite
COBE quien mide temperaturas de la
radiación cósmica de fondo, y quienes
declaran por (Mather, y otros, 1990) y
retomado por (Arzayús, 2010) que el
espectro posee una distribución
espectral Plankiana, con la cual es
posible determinar el punto máximo de
emisión de un cuerpo negro y así
mismo aproximarnos teóricamente al
valor de la temperatura efectiva del
universo.
Tabla 8. Actividades para la estimación de la temperatura efectiva del Universo .
58
2.1.3.4.Delimitación
La propuesta didáctica es aplicada en el colegio Andrés Rosillo, ubicado en la dirección
Cl 65 C 78 A-23, localidad de Bosa. De carácter privado. En este se creó un club de
astronomía el cual fue llamado ALTAIR “Fly trough skies” y contó con la participación de
15 estudiantes de diferentes niveles de bachillerato, la participación dentro del club no tiene
un grado especifico, debido a que se pretendió reforzar la teoría de Camino que indica: “que
todos los conceptos sin excepción pueden ser enseñados y aprendidos a cualquier edad sin
ningún tipo de restricción” (2011, p. 3).
Colegio Andrés Rosillo
Cl 65 C 78 A-23
Localidad Bosa
Cantidad de
Estudiantes que
integraron el club
15
Tabla 9. Delimitación de la población
En esta institución educativa cuenta con un currículo que imparte la física a los
estudiantes, desde grado Primero (primaria) hasta grado Once (educación media), con una
intensidad en horas de primero a noveno de una hora a la semana y décimo y once, cuatro
horas a la semana, además de presentar en su plan de estudios institucional temáticas de
Astronomía en grado primero, segundo, séptimo y once como herramienta fundamental en el
desarrollo del proceso de enseñanza de la física, objeto de gran relevancia debido a que el
estudiante presenta avances conceptuales y teóricos del área de Física que aportan de forma
significativa en el proceso de enseñanza-aprendizaje dentro del club.
Los asistentes al club son voluntarios y presentan la necesidad de conocer y aprender
acerca de la astronomía desde un ámbito diferente a la clase común, los encuentros tienen
lugar en la institución un horario extracurricular. Para la formación del club de Astronomía
ALTAIR “fly trough skies” se realizó una convocatoria pública a los estudiantes de la
institución, esta convocatoria y divulgación, estuvo a cargo de un grupo de seis estudiantes
59
de grado once del año 2.018 quienes, de forma deliberada, deciden formar parte del grupo de
colaboradores.
Figura 4. Logo Club de Astronomía Altair, diseñado por los estudiantes del Colegio Andrés Rosillo.
CAPÍTULO III
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE LA IMPLEMENTACIÓN
El presente capítulo muestra los resultados obtenidos del diseño, validación e
implementación de la propuesta didáctica para la enseñanza, en un club de astronomía. Para
lograr culminar el proceso de investigación se desarrollaron tres etapas: la primera se
fundamentó en la formación del club de Astronomía; la segunda, se concentró en el diseño y
la validación de instrumentos, tales como un cuestionario inicial y una serie de dos
actividades; en la tercera etapa se realizó la aplicación de las actividades, cuyo principal fin
es obtener la temperatura absoluta del universo.
3.1.Club de Astronomía
Al realizar un análisis detallado de los clubes de astronomía inscritos al planetario distrital
de Bogotá para el año 2.018, y el cual fue presentado en el capítulo I de este documento, se
logró evidenciar cómo a partir del mapeamiento de información de los 20 clubes, ninguno de
ellos enfocó su búsqueda en realizar un trabajo detallado para estudiar las características
físicas del universo, como: la temperatura efectiva del mismo, por esta razón, se propuso la
60
formación de un club de Astronomía en el colegio Andrés Rosillo, que se dedique al estudio
de las características físicas del Universo.
La formación del club estuvo a cargo de 6 estudiantes pertenecientes a l grado once del
año 2.018, quienes de forma voluntaria dan inicio al club, y que fue denominado con el
nombre club de Astronomia Altair, “Fly trough skies” nombre que fue seleccionado en un
conceso por los 15 integrantes.
El objetivo general del club es incentivar el aprendizaje de la astronomía en los
estudiantes del colegio Andrés Rosillo, el cual promueva el estudio voluntario y coherente,
de las características físicas del universo.
Así pues, Altair se consolidó como un club astronómico, donde se incentivó la realización
de diversos proyectos, buscando divulgación científica y astronómica en distintos colegios
de la localidad séptima de Bosa. Igualmente, las actividades conllevan un proceso de
enseñanza y aprendizaje en el área de la astronomía de forma diferente, donde el estudiante
llevó a cabo una seria de actividades que carecían de una retribución en cuanto a calificación
académica se refiere, así que lo hicieron por gusto, prueba de ello fue la obtención de los
resultados de las actividades realizadas.
Es importante aclarar que por ser un club de astronomía no todas las sesiones contaron
con la misma cantidad de participantes, debido a que, como se mencionó anterionrmente, la
asistencia es voluntaria y todas las sesiones se realizaron en horario extracurricular, es decir,
en horas de la tarde una vez por semana.
A continuación, se presentan evidencias de algunas de las actividades que fueron
realizadas, previas al desarrollo con que cuenta el objetivo principal de este proyecto y las
cuales han sido presentadas a la comunidad académica.
Figura 9. Presentación del Club a la comunidad educativa
61
Figura 10. Uso de la carta celeste.
Figura 11. El universo, por estudiantes del Club.
Figura 12. Construcción de constelaciones con circuitos eléctricos.
62
Figura 13. Estudio de las estrellas.
Figura 14. Participación en los eventos del colegio como izadas de bandera.
Figura 5. Elaboración de carta celeste gigante
63
3.1.1. Validación de Instrumentos
Con la elaboración y validación de las actividades se pretende que los docentes, de cierto
modo, no improvisen sus conocimientos, sino que de una u otra forma, vean la necesidad de
diseñar e implementar herramientas para el proceso de enseñanza-aprendizaje del estudiante
que sean claras y pertinentes, en pro de potencializar sus habilidades (Cisterna, 2015). Como
se puede referenciar en este apartado, desde la mediación pedagógica por Gutiérrez Prieto,
(1992), quien indica que las herramientas presentadas a los estudiantes deben ser claras,
coherentes y concisas para que estas a su vez llamen la atención de los estudiantes e
igualmente estas deben ser presentadas con un diseño, una metodología clara que permita la
integración de discursos integrales ligados unos con otros.
Los instrumentos fueros validados por tres estamentos como lo indica Cisterna, 2015, el
primer estamento corresponde a pares académicos, el segundo estamento a la validación de
dos expertos y el tercer estamento por un grupo piloto.
Para la validación de las actividades se realizó una rúbrica de evaluación la cual permitió
el análisis de cada instrumento de una forma coherente y concreta.
3.1.2. Validación Instrumento de indagación Cuestionario
Inicialmente el cuestionario contaba con diez preguntas abiertas, las cuales fueron
modificadas de acuerdo a las observaciones dadas por cada par académico y conformes
a las categorías de análisis (ver anexo 1).
Seguido se diseñó un segundo cuestionario, el cual contó con cinco preguntas abiertas
y que al ser validado por pares académicos y un experto, cuenta con la aprobación (ver
anexo 2).
Para evaluar cada pregunta se tuvieron en cuenta 5 criterios, presentados a
continuación:
Criterio Indicación
C1 La pregunta recoge información que permite dar respuesta al problema de
investigación
64
C2 Esta formulada con un lenguaje apropiado para la población
C3 El tipo de letra, tamaño y espacio para contestar es el adecuado
Teniendo en cuenta la escala, por favor evalúe cada uno de los criterios:
• Totalmente de acuerdo: 4
• De acuerdo: 3
• Desacuerdo: 2
• Total desacuerdo: 1
Figura 6. Rubrica validaciones pares académicos cuestionario 1.
3.1.3. Validación serie de actividades
Las actividades diseñadas fueron validadas por pares académicos, tres expertos: un
docente del planetario distrital, una magister en educación, quien es la encargada de un club
de astronomía en Bogotá y el docente tutor de la presente investigación docente de
65
Astronomía en la Universidad Distrital y por último fueron aplicadas a un grupo piloto de
estudiantes quienes fueron escogidos de forma voluntaria de cursos diferentes de
bachillerato. Se presenta una rúbrica de evaluación que cuenta con cuatro criterios que se
teniendo en cuenta la siguiente escala:
• Total acuerdo: 4
• De acuerdo: 3
• Desacuerdo: 2
• Total desacuerdo: 1
Actividad 1
Figura 7. Rubrica de evaluación actividad No 1. Experto.
Al realizar la prueba piloto con cuatro estudiantes se identificaron falencias en el
instrumento de la actividad 1 como se observa en la figura N° 17, debido a que en esta
únicamente se presenta el espectro de emisión de la estrella, para obtener un nuevo espectro
en función de la temperatura. La gran dificultad que se observó fue en la construcción de la
tabla de datos, ya que los valores de los ejes no eran claros en cuanto a la cantidad de
decimales. Ante lo cual los estudiantes sugirieron que se debía indicar los datos en una tabla
para poder calcular la temperatura.
66
Así mismo los estudiantes sugirieron la posibilidad de trabajar en un archivo en Excel
para facilitar la recolección de datos y que se pueden obtener de cada espectro. La validación
por los expertos sugirió, de igual manera, trabajar con software como herramientas que
optimicen la actividad. Así entonces, se realizaron las mejoras sugeridas, presentando los
datos del espectro y brindando la posibilidad al estudiante de trabajar desde Excel o realizar
los procesos manualmente, es importante aclarar que el grupo piloto no realizó rubrica de
evaluación, para esto se tuvo en cuenta los comentarios que los surgían de los estudiantes a
medida que desarrollaban las actividades.
La validación de los instrumentos es un proceso fundamental para logar alcanzar el
desarrollo de actividades coherentes y con estructuras adecuadas, posibles de aplicar en cada
contexto, en este caso, se sugiere que las actividades que se presentan dentro de un club de
astronomía estén enfocadas hacia la diversidad, teniendo en cuenta la accesibilidad para
pertenecer al club y en general los distintos factores que inciden para participar, por ende,
cada actividad debe contar con un lenguaje claro y coherente, el cual llegue a toda la
población de la misma manera.
Figura 8. Proceso de validación por grupo piloto.
La figura 18 permite observar como el grupo Piloto, al realizar el punto número dos
de la actividad, toman valores que no son los correspondientes al punto máximo de emisión
67
del espectro de la estrella, debido a que, en el momento de reescribir los datos en la tabla
estos no son exactos y presentan un margen de error aproximadamente de 57% en el cálculo
de la temperatura efectiva de la estrella, lo cual indica que hay fallas en el instrumentos
presentado, teniendo en cuenta que la temperatura efectiva de una estrella tipo K como la que
se presentó en la actividad tiene temperatura efectiva en el rango de 3500 a 5000 K según la
clasificación realizada en el observatorio de Harvard en los estados unidos a comienzos del
siglo XX (Zeilik, 2002).
Durante el proceso de validación de la actividad No 2, se logró evidenciar, gracias a
los pares académicos y los expertos como se muestra en la figura 19, que en cuanto a formato
y coherencia se encuentra apropiada para cumplir el objetivo.
Figura 9. Rubrica de evaluación actividad No 2. Experto.
Con el Grupo Piloto se identificó que fue más fácil desarrollar la rúbrica, debido a
que en esta se presentó a los estudiantes la tabla con datos necesarios para encontrar la
temperatura efectiva del universo la cual presentó un margen de error del 100% el cual se
puede observar en la figura 20. Con forma a que la tabla de datos que se facilitó a los
estudiantes contaba con un error en cuanto a información, puesto que los datos que se
obtuvieron fueron invertidos de modo tal que lo que corresponde a longitud de onda fue
68
tomado como luminosidad de la radiación cósmica de fondo, impidiendo un cálculo adecuado
de la temperatura efectiva del universo.
Es importante retomar que los datos fueron obtenidos y modificados de datos reales
como se explicó en el capítulo II del presente documento.
Figura 10. Validación prueba Piloto.
69
3.2.Análisis de Resultados
A continuación se presentan los resultados obtenidos en la presente investigación,
basados en las categorías de análisis de cada instrumento, los cuales se pueden observar en
la tabla No 10.
Instrumento Categorías Subcategorías Indicadores
Cuestionario
Temperatura
Leyes de la
termodinámica
Cambios de temperatura
Conservación de la energía
Escalas de temperatura
Radiación electromagnética.
Espectro
electromagnético
Relación del color de los cuerpos con
su temperatura.
Calor Energía
Almacenamiento de Calor
Absorción la Luz y la transforma en
Energía
Actividad
No 1 y No 2.
Radiación de
cuerpo negro
Ley de Steffan
Boltzman
Para calcular la cantidad de energía
emitida Stefan-Boltzman encuentra
una relación donde la energía total
emitida era proporcional a la
temperatura absoluta elevada a la
cuarta potencia.
Ley de Wien
Específica que hay una relación
inversa entre la longitud de onda en
que se produce el pico de emisión de
un cuerpo negro y su temperatura
absoluta, logrando así conocer la
temperatura de cualquier cuerpo
astronómico si se tiene la longitud de
onda o viceversa.
70
Radiación
cósmica de
fondo
La radiación electromagnética que
emite el universo,
En 1965, detectaron una
radiación proveniente de otra parte,
al realizar pruebas estas emisiones
no venían de la tierra, por lo que
mencionaron que la radiación era de
origen cósmico porque se presentaba
en todas las direcciones y era una
señal uniforme con una temperatura
de tres grados kelvin, que es por
debajo del creo absoluto. (santaolalla
, 2015).
Tabla 10. Categorías de análisis para instrumentos.
3.2.1. Instrumento de indagacion Cuestionario.
El instrumento de indagacion fue realizado en el primer semestre del año 2.019, (ver
anexo 2) imagen durante una sesión, con un grupo de 8 asistentes. Para el analisis del
mismom se realiza un transcripcion completa de cada estudiante teniendo en cuenta que las
cinco preguntas presentadas eran totalmente abiertas.
71
Figuran 11. Cuestionario aplicado sesión 1.
Figura 12 Cuestionario aplicado sesión 1.
Se procede al analisis de cada uno deacuerdo a cada estudiante, para lo cual se llama E1,
E2, E3, E4, E5, E6. E7, E8, E9 y se muestran los resultados a continuación. Para cada
pregunta se reasignan opciones de respuesta deacuerdoa la categoria general de cada
estudiante y se reportan en una matriz para cada pregunta asignando una escala de colores
para el analisis porcategorias.
Categoria 1. Temperatura
Categoria 2. Calor
Categoria emergente
72
P1: ¿Si se somete una varilla a altas temperaturas el color cambia? ¿Por qué?
P1 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 total
Si cambia x x x x x x x x 8
Leyes de la termodinámica x 1
Cambio en la temperatura x x x x x X 6
Punto de Fusión x 1
Tabla 11. Matriz análisis de datos P1.
El 100% de los participantes coincide en que el calor de la varilla cambia: el 88% inidica
que por cambios físicos relacionados con las leyes de la termodinamica y el 12% indican una
categoria emergente que se relaciona con los cambios químicos.
P2: Si en un día soleado se colocan 4 cartulinas una de color verde, azul, blanco
y negra en el patio de tu casa y sobre ellas pones 1 cubo de hielo ¿Cuál de los
hielos se derrite de primeras? ¿Por qué?
P2 E1 E
2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 Total
Negra X X X X X X X X 8
Blanca X 1
Absorbe el calor X X X 3
Retiene el calor X 1
El color negro hace que las
partículas del hielo se contraigan
y se derrita más rápido
X 1
El color negro atrapa las ondas X X 2
La unión de todos los colores X 1
Cuando el sol da a un color
oscuro los efectos son más
fuertes
X 1
73
Tabla 12. Matriz análisis de datos P2.
Se observó que el 100% de los participantes revelan que el hielo que se encuetra sobre la
temperatura negra se derritira mas rápido, de la siguiente forma: el 75% refiere a la categoria
1; y el 25% a la categoria 2, asi mismo el E7 asume dos posibles causas generando una
categoria emergente. Textualmente el E7 se refiere a esta pregunta:
E7: “Blanca, debido a que este color es la unión de todos, circulo de Newton, entonces,
la luz, los rayos del sol se reflejan más en ese color: teoría 1. La negra pues al ser color
opaco, atrapa en su totalidad los rayos de luz del sol, por eso la temperatura es mayor en esa:
teoría 2”
P3: Imagina que tienes dos latas de aluminio, una está pintada por dentro de negro con
pintura de esmalte, y la otra no, pones esto en el patio de tu casa de tal modo que los
rayos del sol llegan a estas, introduces un termómetro dentro de cada lata y se registran
datos de temperatura. ¿Cuál de las latas crees que adquirió mayor valor de la
temperatura? ¿Por qué?
Tabla 13. Matriz análisis de datos P3.
P3 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 Total
Lata pintada x x x x x x x x 8
Absorbe la Luz y la transforma en Energía x 1
Absorbe el calor x 1
Concentra más el calor x 1
Contrae el calor dejándola con una alta
temperatura x 1
Se contienen los rayos del sol y se
transforman en temperatura x 1
Las propiedades del color negro Atrapan y
transforman el calor pasando a ser Energía x 1
Almacena el calor sin reflejarlo x 1
cuando los rayos chocan en una superficie
de color oscuro esta se calienta más rápido x 1
74
El 100% hacen referencia que la lata con mayor temperatura registrada en el
termometro es la que se encuentra pintada: indicando el 75% que es a causa de componentes
registrados en la Categoria 2 ; y el 25% hace referencia a componentes de la categoria 1.
P4: ¿Cómo se pueden clasificar las estrellas?
Tabla 14. Matriz análisis de datos P4.
En esta pregunta surgen dos categorias emergentes las cuales hablan sobre el tamaño
y compocision de las estrellas, el 50% contentestan con referencia a la categoria No 1, que
indica que las estrellas se pueden clasificar teniendo en cuenta su temperatura: y el otro 50%
inican que, según su color. Existe un 100% de relación en estas dos premisas, desde el
espectro electromagnetico que relaciona color con temperatura de los cuerpos.
P5: ¿Cómo se podría saber la temperatura efectiva de los diferentes cuerpos
celestes?
Tabla 15 Matriz análisis de datos P5.
P4 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 total
Color x x x x 4
Temperatura x x x x 4
Tamaño x x x x x x x 8
Composición x x x 3
P5 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 total
Energía x 1
Color x x x x x 5
Estrella azul más
caliente que la roja x 1
Cercanía al sol x 1
75
El 75% de los participantes indican que la temperatura efectiva de cuerpos celestes
puede ser conocida a través del color, de estos el 13% relaciona con la cantidad de energía
que se emite, y surge una categoría emergente, respecto a la cercania al sol, siendo la más
lejanda más fria que la cercana.
En conslusion, se tiene que: en cuanto a las categorías de análisis establecidas al inicio
de la investigación, el grupo de estudiantes participantes en la sesión, coinciden en relaciones
de calor temperatura, como fenomenos de radiación electromagnética, igualemnte, se
evidenció que los integrantes cuentan con conocimientos previos para la implementacion de
actividades especificas como determinar características físicas del universo especificamente
la temperatura efectiva del mismo.
Asi mismo, con el desarrollo del cuestionario se genera interés por la investigación
autonoma para comprender de forma más acertada los fenómenos propuestos en las
preguntas, tanto así, que uno de los participantes del club días después de la elaboración del
cuestionario manifestó haber realizado el ejercicio planteado en la P2 y que comprobó lo que
había contestado.
Por otro lado, se presentó el siguiente caso, en una de las clases de fisica posteriores
a la participación en el cuestionario, con uno de los estudiantes participantes de grado once:
se realizó una lectura de la Revolución Industrial en la que se da introducción a la radiación
electromagnética y a las leyes de la termodinámica, el estudiante en mención, hace relación
al ejemplo presentado en la P3, comparandolo con la eficiencia termica de las máquinas a
vapor que se presentan en la lectura. Lo que permitió concluir que un cuestionario diseñado
para identificar algunas ideas que tienen los estudiantes sobre radiación, calor y temperatura,
permite que el estudiante se indague y vaya más allá de lo que queda por escrito.
3.2.2. Análisis serie de actividades.
Acontinuación se presenta el análisis de las dos actividades realizadas dentro del club que
tuvieron como finalidad el calcular temperatura efectiva del cuerpos celestes y la temperatura
efectiva del universo basados en datos reales.
Además, es importante tener en cuenta que lo relevante de estas actividades es el
cálculo de la temperatura efectiva de cuerpos celestes, y por tanto, no se pretende detener en
76
el análisis de los puntos P3 y P4, de dichas actividades, debido a que estos son presentados
para indicar posibles aplicaciones que se pueden tener luego de obtener la temperatura de un
cuerpo.
3.2.2.1.Actividad No 1 Cuerpo negro y su relación con cuerpos celestes.
La actividad No 1, fue desarrollada por 14 estudiantes durante 1 sesión, en el segundo
semestre del año 2019. La metodología de la aplicación consistió en solicitar que realizaran
grupos de trabajo como ellos lo desearan o simplemente que trabajaran de forma individual,
con lo cual resultó una división de 5 grupos de trabajo, los cuales seran denominados como
G1, G2, G3, G4 y G5, respectivamente.
Teniendo en cuenta la validación de la actividad se dispone para esta sesión de la sala
de sistemas del colegio, y en la que previamnete se ha enviado por correo electrónico a los
estudiantes participantes la actividad No1, junto con el anexo en excel de los datos de
intensidad y longitud de onda obtenidos del espectro de una estrella tipo K. Los resultados
realizados por los integrantes son enviados vía correo electrónico.
A continuación se evidencian los resultados del primer punto de la actividad, la cual
consistía en realizar un nuevo espectro en función de la temperatura de la estrella, esto debido
a que el que se brindó en la actividad se encontraba en función de la longitud de onda.
77
Figura 13. Desarrollo actividad No 1.
P1: Realiza una gráfica en papel milimetrado o en Excel donde des cuenta de la
intensidad en función de la temperatura del espectro solar. Para esto, construye
una tabla de datos como el ejemplo que a continuación se muestra y con ayuda
del marco teórico determina el valor aproximado de la temperatura para cada
punto del espectro. (Anexo 1. Documento en Excel con tabla de datos para
completar).
Figura 14. Espectro G1.
78
Figura 15. Espectro G2.
Figura 16. Espectro G3
0,8316
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Wehrli, W/m2/A (*4)
0,8584
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
LONGITUD DE ONDA
79
Figura 17. Espectro G4
De este modo se logró comprobar cómo, cuatro, de los cinco grupos, lograron
realizar correctamente el espectro de la estrella en función de la temperatura, el G5 presenta
la tabla en Excel con los datos de temperatura, pero no realizaron el espectro. Frente a este
primer punto se evidenció la importancia del uso de herramientas tecnológicas para facilitar
el proceso de formación de los estudiantes, el trabajo en equipo en esta etapa fue fundamental
debido a que algunos integrantes de grados inferiores como grado séptimo manif iestan a sus
compañeros que no saben insertar formulas en Excel para luego realizar la gráfica y así, los
que tenían dominio de Excel lograron explicar a los demás.
P2: A partir de la gráfica identifica el punto máximo y la temperatura máxima
efectiva de la estrella.
El análisis de este punto se realizó teniendo como referencia el rango temperatura de
una estrella tipo K el cual corresponde entre 3500 K y 5000 K. A continuación, se presenta
los resultados obtenidos por cada grupo, los cuales fueron registrados en la guía de cada
grupo de trabajo y entregada al finalizar la sesión.
En este punto es importante referir que uno de los participantes del club quien se
encuentra en grado once decide, de forma voluntaria, explicar a sus compañeros la relación
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Wehrli, W/m2/A (*4)
80
matemática propuesta por Wien para que los estudiantes de los cursos inferiores
comprendieran de forma correcta el desarrollo de la misma en la actividad.
Figura 18. Interacción de los participantes del club actividad No 1.
Los resultados presentados por los participantes se registran en la Tabla No 16
evidenciando un margen de error del 3% , en cuatro de los cinco grupos participantes.
Grupo G1 G2 G3 G4 G5
Temperatura
efectiva (K) 3406,9 K 3418,99 K 3406,93 K 3406,93 K 3406,4 K
% Error 3% 2% 3% 3% 3%
P3: ¿Cuál es la cantidad de energía emitida por la estrella a ese valor de
temperatura efectiva encontrada en el punto anterior?
La cantidad de energía que emite un cuerpo celeste a una temperatura aproximada de
3500 K equivale a 8508543,75 𝐽
𝑠𝑚2⁄ , valor que se tiene en cuenta para realizar el cálculo de
error próximo para los resultados obtenidos por cada grupo de estudiantes registrados en la
tabla No 17.
81
Tabla 16. Matriz análisis punto 3, actividad No
P3: ¿Si tenemos que el radio de dicha estrella es de 6,95700𝒙𝟏𝟎𝟖metros
aproximadamente cuál es la luminosidad de la misma?
La luminosidad que emite un cuerpo celeste a una temperatura aproximada de 3500
K equivale 5,17236E25 𝐽𝐾8
𝑚2⁄ , valor que se tiene en cuenta para realizar el cálculo de error
aproximado para los resultados obtenidos por cada grupo de estudiantes mostrados en la tabla
No 18.
Tabla 17. Matriz análisis punto 4, actividad No 1
Finalmente se aclara que el cálculo de error para cada punto se realiza a partir del
valor mínimo de temperatura efectiva que toma una estrella tipo K, es decir, con un valor de
3500 K. Se videncia un porcentaje de error alto, esto se da a causa de las cantidades
decimales que toman los estudiantes a la hora de realizar los cálculos o en el momento de
utilizar la calculadora para dichos procesos. Además, se evidencia en la ilustración 28, como
en dos grupos durante el desarrollo de la actividad se presentan fallas en el momento de
realizar los espectros de la estrella y solicitan a grupos aledaños explicación del uso correcto
de Excel para realizar la gráfica correspondiente de forma adecuada.
Grupo G1 G2 G3 G4 G5
Cantidad de
Energía 𝐽
𝑠𝑚2⁄ 7638720,226 7747728,28 7638989,28 7638989,28 7634236,95
% error 10% 9% 10% 10% 10%
Grupo G1 G2 G3 G4 G5
Luminosidad 4,64E+25 4,71E+25 4,64E+25 4,64E+25 4,64E+25
% error 10% 9% 10% 10% 10%
82
Figura 19. Algunas falencias detectadas en el uso de Excel de los participantes.
3.2.2.2.Actividad No 2: Temperatura efectiva del universo a través del concepto de
cuerpo negro.
Para el diseño y aplicación de esta actividad se tuvo en cuenta la actividad No 1. Teniendo
en cuenta el desarrollo teórico de la mimas. Esta actividad fue realizada por un total de 12
participantes. Se dispuso de la sala de sistemas de la institución para la realización de la
actividad. Se realizan cinco grupos de trabajo los cuales serán llamados G1.2, G2.2, G3.2,
G4.2, G5.2, haciendo diferencia entre los grupos de la actividad No 1 y la actividad No 2
puesto que no se encuentran distribuidos en los mismos grupos.
P1: Observa el siguiente vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=kH2rX6ULhlI
La radiación cósmica de fondo observada por Planck – 2013, en el cual Sergio
Torres Arzayus astrofísico, explica el mapa de radiación remanente del Big Bang
tal como fue observada por los proyectos Planck de la ESA y WMAP de la NASA,
además se explican todos los detalles de esta maravillosa observación del origen del
universo.
La observación del vídeo se realizó en sala de sistemas, con la ayuda de equipos de
sonido y computo, para esta sesión se cuenta con 12 participantes, quienes de manera
83
unificado lo observan, posterior a esto, se realiza una discusión, que da cuenta de los
elementos relevantes del vídeo, como la imagen que permite verificar el mapa de la radiación
de fondo, que se produjo a partir de la teoría del Big Bang, se logró evidenciar gran interés
por comprender este vídeo y los estudiantes manifestaron que comprendieron lo que Arzayus
les muestra.
Ilustración 20. Observación herramienta video en Youtube por Arzayus.
P2: Calcula la temperatura efectiva del Universo. Para esto completa la tabla de
datos que se presenta a continuación y reconstruye una nueva gráfica en donde
muestres el espectro en función de la temperatura, puedes utilizar una hoja
milimetrada o Excel para realizar la gráfica.
El 100% de los grupos participantes deciden trabajar en Excel y enviar los resultados
vía correo electrónico, los espectros realizados por cada grupo son presentados a
continuación manteniendo el formato original de cada archivo recibido, donde se logra
evidenciar que todos los grupos realizan el espectro de forma correcta y en concordancia con
el parámetro establecido para esta actividad. Se videncia además, que tres, de los cinco
grupos, marcaron en la gráfica el pico más alto del espectro en cuanto al valor que toma la
luminosidad.
84
Figura 30. Espectro Temperatura efectiva del Universo G1.2
Figura 31. Espectro Temperatura efectiva del Universo G2.2
Figura 32. Espectro Temperatura efectiva del Universo G3.2
1,15
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 2 4 6 8 10
1,15
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 2 4 6 8 10
1,15
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 5 10 15 20 25
Luminosidad 10-4 ergs/sec/cm*2/sterdion/cm*-1
85
Figura 33. Espectro Temperatura efectiva del Universo G4.2
Figura 34. Espectro Temperatura efectiva del Universo G5.2
P3: A partir de la gráfica ¿cuál es la temperatura efectiva del Universo?
Justifique su respuesta.
Los resultados que se evidencian en el momento de calcular la temperatura efectiva
del universo son presentados en la tabla 19. Los cuales muestran que su margen de error es
2% y 5% , esto teniendo como referencia el artículo original del cual fueron tomados los
datos para el análisis del espectro de emisión de radiación cósmica presentado por Mather, J.
C., Cheng, E. S., Eplee Jr, R. E., Isaacman, R. B., Meyer, S. S., Shafer, R. A., ... & Dwek, E.
(1990). A preliminary measurement of the cosmic microwave background spectrum by the
Cosmic Background Explorer (COBE) satellite. The Astrophysical Journal, 354, L37-L40.
Quienes presentan la temperatura del Universo con un valor aproximado de 2,78 K.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 2 4 6 8 10
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 2 4 6 8 10
86
Es importante resaltar que el margen de error en ese caso llega a ser alto debido al
manejo en la tabla de Excel por parte de los estudiantes y en los valores aproximados que
asumen como máximo de emisión los cuales fueron señalados en las ilustraciones anteriores.
Tabla 18. Aproximación
temperatura efectiva del universo.
En el análisis del contenido se observa que los grupos obtienen el valor de la
temperatura efectiva a partir del espectro electromagnético que realizaron en Excel y que no
utilizan la relación de Wien para encontrar dicha temperatura, mediante la observación se
identifica que: una vez señalado el pico de emisión de la luminosidad en el espectro como se
evidencia en las ilustraciones 21, 22, y 23, se remiten a la tabla de datos para así identificar
el valor de la temperatura efectiva del universo como se presenta en la tabla No 19.
Figura 21.
Temperatura efectiva del Universo identificada por los estudiantes participantes.
Grupo G1.2 G2.2 G3.2 G4.2 G5.2
Temperatura
K 2,84 2,84 2,84 2,84 2,63
% error 2% 2% 2% 2% 5%
87
Otro factor influyente en los resultados fue la conversión que se presentó en el
capítulo 1.4.6. Del presente documento, consistió en hacer un cambio de unidades del
espectro original obtenido de los datos reales.
P4: ¿Cuál es la cantidad de energía emitida por el universo a ese valor de
temperatura efectiva encontrada en el punto anterior?
Los resultados se evidencian en la tabla No 20, el porcentaje de error es alto teniendo
en cuenta los valores de las aproximaciones realizadas en el punto anterior y las cantidades
decimales utilizadas por cada grupo, este porcentaje de error es obtenido a partir del valor
teórico que se obtiene del documento original y datos suministrados el cual es de 3,33812E −
6 𝐽𝑠𝑚2⁄ .
Tabla 19. Cantidad de energía emitida por el Universo a partir de datos reales.
P5: ¿Por qué el Universo se comporta como un cuerpo negro?
Teniendo en cuenta que un cuerpo negro representa un equilibrio termodinámico y se
representa como un cuerpo ideal que absorbe toda la radiación que llega sobre él sin reflejar
nada, es decir, como una fuente ideal de radiación térmica, se establece la relación existente
entre el cuerpo negro y el comportamiento del universo observado a través de la radiación
cósmica de fondo evidenciada en el espectro de radiación, el cual muestra la curva propuesta
por Planck para un cuerpo negro.
G1.2. Absorbe la luz, ya que no tiene luz propia, es materia oscura
G2.2. Porque absorbe la energía y la almacena, luego esparce y otros lugares del
universo. Cuando la energía y la materia se desplaza de un cuerpo a otro rodeando
al universo en la mayoría de los espacios.
G1.2 G2.2 G3.2 G4.2 G5.2
Cantidad de
energía 𝐽
𝑠𝑚2⁄ 3,6886E-06 3,6886E-06 3,6886E-06 3,6886E-06
2,7127E-
06
% error 10% 10% 10% 10% 23%
88
G3.3. Por qué absorbe la energía y la almacena, luego esparce y otros lugares del
universo. Ya que cuando un cuerpo negro como un agujero absorbe energía esta
es para poder crecer como al mismo tiempo con el universo expandiendo esa
energía a otros planetas o galaxias.
G4.2 absorbe la energía y emite energía, por ejemplo, la luz del sol, este irradia luz y
el universo lo conserva
G5.2 Absorbe y emite energía en diversos fenómenos. Por el ejemplo el cubo con un
orificio donde entra un rayo de luz, pero no puede salir, realizando la
observación de la emisión de la energía en el universo
Tabla 20. Enunciados escritos por los participantes.
Se ha señalado en la actividad No 1. en el último punto las frases o palabras en las
cuales los participantes hacen referencia a la relación de un cuerpo negro con el Universo.
Lo cual indica que cada uno de los 5 grupos establece la relación de absorción de Energía en
el Universo.
4. Análisis de la implementación de la propuesta didáctica de la enseñanza de la
astronomía
El desarrollo de las actividades se da de forma asertiva con relación a lo que se esperaba
en un inicio, los integrantes del club mostraron gran interés por pertenecer a él y la
disposición tanto para participar en el desarrollo de las actividades fue alta, como por asistir
a cada una de las sesiones planteadas, teniendo en cuenta que las sesiones se desarrollaron
en horarios extracurriculares y contando con la mayoría de los participantes.
Es importante mencionar que se presentaron dificultades en el momento de realizar
encuentros, ya que en ocasiones se cruzaban con actividades curriculares que pueden
ocasionar la inasistencia al club, sin embargo, esto no causó de manera significativa la
inasistencia de los estudiantes.
Cada una de las dos actividades desarrolladas involucraba a los estudiantes en un
participación activa, voluntaria y de trabajo en equipo, lo anterior, permitió evidenciar: en el
momento de realizar los grupos de trabajo los estudiantes no se organizaron por cursos, al
89
contrario, se involucraron unos con otros, lo que facilitó el desarrollo de las mismas dado que
se presentó la posibilidad de trabajar desde un archivo en Excel y no todos los participantes
manejaban herramienta básicas de este programa, con el apoyo de sus compañeros lograron
comprender algunas herramientas y adquirir, no solo conocimientos específicos de la
astronomía, sino que estas actividades demostraron la interdisciplinaridad del área, desde la
matemática, la física y el uso de herramientas tecnológicas.
Conforme al desarrollo de las actividades surgieron dudas en los participantes respecto
a saber si los resultados obtenidos eran los correctos, por lo que brotó el interés por la
investigación y ante esto solicitaron material de estudio extra. Igualmente, y para dar
respuesta a sus inquietudes, se les presentaron referencias teóricas que apoyan la idea y así
se comprobar el margen de error en cada una de las actividades realizadas, explicándole a los
participantes los posibles errores en el desarrollo de las actividades.
En concordancia se exhibe la importancia de presentar a los estudiantes datos reales, los
cuales hicieron que las actividades se tornaran serias para ellos y no se quedaran con el ideal
de que en la enseñanza de Astronomía “las teorías son imaginarias”, sino que parten de
hechos reales que son proporcionados a partir de la observación directa o por observación
realizada de grandes telescopios y analizados por varios científicos.
Finalmente, se evidencia la importancia de trabajar en clubes dentro de las instituciones,
porque el estudiante es más coherente y más propositivo cuando realiza actividades por gusto
y no por convicción, donde salen la monotonía e interactúan con otros compañeros,
igualmente exponen sus ideas sin temor a recibir una mala nota o una mala observación, así
entonces, el club permite el libre desarrollo de procesos de formación en las que se unifican
diferentes áreas del conocimiento con un fin en común: estudiar las maravillas del universo.
90
CAPÍTULO IV
5. REFLEXIONES
El presente capítulo describe reflexiones pedagógicas del desarrollo de la
implementación de la propuesta pedagógica para la enseñanza de la Astronomía en un club,
con el propósito de enriquecer la práctica educativa en el área. Enmarcando dos momentos
fundamentales en la presente investigación: el primero es el diseño y validación de la
propuesta pedagógica; el segundo momento da cuenta de las implicaciones de la aplicación
de la propuesta.
4.1. REFLEXIONES
4.1.1. Sobre el diseño de la propuesta pedagógica
Es evidente cómo el diseñar una propuesta pedagógica que enmarque los gustos y
propósitos de cada uno de los seres humanos es un poco arduo, en especial cuando esta va
diseñada para estudiantes dentro de un club de astronomía, que no comparten la misma edad
ni cuentan con el mismo nivel académico, son participantes voluntarios, que si bien,
comparte un interés en común -la Astronomía-, no los mimos temas de estudio, por ejemplo,
algunos se interesan por conocer datos curiosos del universo, realizar Astronomía
observacional y vivencial y otros por conocer con exactitud lo que ocurre en el Universo.
De esta manera, y dado que la astronomía es un área que permite desarrollar procesos de
enseñanza-aprendizaje, de diferentes formas y con procesos de desarrollo significativos
desde un enfoque tridimensional como lo indica Camino (2016), en este caso al realizar el
esquema tridimensional, es necesario conocer cada uno de los intereses de los integrantes
para crear un diseño de la propuesta pedagógica óptimo y al alcance de todos (los
participantes), el cual comprendió en el primer eje las teorías del aprendizaje (aprendizaje
significativo) Ausubel, materiales lógicamente significativos (MLS), materiales
psicológicamente significativos (MPsS) y la disposición e interés del aprendiz (Disp). En el
segundo eje se planteó el área de conocimiento conceptual (temperatura del universo) y en
91
un tercer eje los grupos etarios que indica la población (estudiantes de bachillerato colegio
Andrés Rosillo, pertenecientes al club de astronomía).
Figura 22. Diagrama en tres dimensiones para el diseño de las Actividades.
La propuesta pedagógica que tiene como eje principal el trabajar con datos reales para
obtener datos reales, la cual fue diseñada con el fin de apoyar las actividades de clubes de
Astronomía con material didáctico que involucren el obtener la temperatura efectiva del
universo a partir de un modelo de cuerpo negro fomentando el interés en el estudiante por
conocer datos del Universo de forma real e interdisciplinar.
Para el diseño de las actividades fue de vital importancia la validación de las mismas,
ya que se logra errores o fallas que se tienen tanto de estilo como conceptuales las cuales
el investigador no logra detectar, facilitando la implementación de obtención de resultados
favorables de la investigación.
4.1.2. Sobre la implementación
En este punto es sumamente importante reflexionar sobre la importancia de implementar
actividades en el aula que estén al alcance de diferentes grupos etarios, ya que en este caso
se presentan a un club de astronomía, en el cual participan estudiantes de todos los grados de
bachillerato con diferentes edades y diferentes gustos, es aquí donde el rol del d ocente juega
un papel fundamental, si se logra captar la atención de cada uno de los participantes,
alternando un lenguaje acorde con una estructura adecuada en cada actividad y un plan de
92
trabajo edificado con antelación, los resultados son los esperados, puesto que se pueden
presentar situaciones inesperadas, tales como la inasistencia de los estudiantes a las sesiones,
debido a la libertad que tienen en el momento de asistir, por tal motivo se debe mitigar el
riesgo que se asume.
Por otro lado, estas situaciones conllevan al maestro a evaluar su práctica educativa, a
tener claro que ser parte de un club de Astronomía significa ser interdisciplinar y aprender
con los estudiantes, a resolver dudas e inquietudes que surgen en torno al desarrollo de las
actividades, en este caso, enseñar cómo insertar una formula en Excel y cómo despejar una
variable de una función lineal.
Uno lo de los factores alterantes en los resultados, equivale a la inasistencia de los
estudiantes a cada sesión, pues no todos los que asistieron a la sesión uno, asistieron a la
sesión dos, y viceversa, esto por causas extracurriculares, sin embargo, previo a cada
encuentro se realizó un censo con los participantes del club y así poder contar con la gran
mayoría de asistentes, esto gracias a que las reuniones no fueron establecidas en fechas
exactas si no que por ser de carácter extracurricular permitió el cambio de las fechas de las
sesiones.
El uso de herramientas tecnológicas favoreció el desarrollo de las actividades, esto si
se compara el tiempo de desarrollo de cada actividad en la validación por un grupo piloto y
la implementación dentro del club de Astronomía, mostrando diferentes formas de realizar
la actividad.
Para finalizar, es importante mencionar que no se tuvo en cuenta para el análisis de
resultados, diarios de campo, ni grabaciones, lo cual delimitó únicamente al análisis del
contenido escrito en cada actividad, delimitando las observaciones realizadas. Cada
estudiante participante logró comprender el concepto de radiación de cuerpo negro a partir
del desarrollo de las actividades.
93
5. CONCLUSIONES
Enseñar Astronomía en un club no consiste simplemente en transmitir un conocimiento
específico, significa enfrentar un proceso de elaboración de actividades las cuales cumplen
con un diseño valido para la población con la cual se trabaja, significa, además, transmitir de
manera adecuada un propósito pedagógico produciendo reflexiones sobre la labor docente.
De esta manera, el diseño de la propuesta pedagógica cumple con un propósito específico de
investigación el cual consiste en aportar herramientas didácticas a los docentes de clubes de
Astronomía, pero esta a su vez no tiene validez alguna hasta que no es presentada a los
estudiantes, poniéndola en práctica, y así, abordar sus ventajas y desventajas.
El diseño y desarrollo de esta propuesta se pudo lograr gracias al instrumento número uno,
el cual fue un cuestionario, que identifica la relación entre calor-temperatura y la radiación
de cuerpo negro, mostrando las ideas que los estudiantes tienen de fenómenos de su
cotidianidad, lo que permite mostrar que las ideas previas de los estudiantes son
fundamentales en el momento de iniciar un proceso de formación específico, así mismo, el
diseño y desarrollo de la propuesta lleva a reconocer las limitaciones que tenemos como
docentes en el momento de enfrentarnos a algunos temas , particularmente, en la radiación
de cuerpo negro planteada por Planck, la comprensión adecuada de la radiación cósmica de
fondo dejada luego del Big Bang, y a su vez a reflexionar acerca de cómo implementar esta
teoría en la práctica de forma didáctica y suscite la atención en los estudiantes.
Analizar las temáticas propuestas en los clubes de Astronomía de Bogotá, permitió
establecer los propósitos propios del club de Astronomía formado en el colegio Andrés
Rosillo, igualmente, se logró identificar que para liderar un club de Astronomía no se necesita
ser un experto en el área, se evidencia que docentes licenciados en Idiomas, Humanidades,
Ciencias Sociales, entre otros, son los directamente responsables de los mismo, permitiendo
y corroborando una vez más que la Enseñanza de la Astronomía es una disciplina
interdisciplinar y que como lo indico Camino (2015), el echo fundamental es tener la
motivación para enseñar esta disciplina.
La formación del Club de Astronomía en el colegio se da gracias a la gran motivación
evidenciada por cada uno de los estudiantes, desde los más pequeños hasta los más grandes,
94
frente a esto, es gratificante observar cómo los estudiantes forman un carácter autónomo de
aprendizaje, donde son líderes realmente aportantes y con intereses en común, que no tienen
nada que ver con obtener una calificación a cambio, sino alcanzar algo más que eso;
compartir y adquirir conocimientos en la Astronomía.
Así mismo, esta propuesta pedagógica enmarca la importancia de trabajar con datos
reales, y como el manejo de los mismo pueden ser llevados al aula sin importar la edad de
quien los manipule, como se presentó en el capítulo de resultados se consiguió un margen de
error del 2% en cuando a la temperatura efectiva del Universo que se obtiene a partir de datos
reales del instrumento FIRAS (Far Infrared Absolute Spectrophotometer) a bordo del satélite
COBE, con el desarrollo de las actividades además de evidencias, procesos de formación
netamente académicos, se fomentó el trabajo en equipo, descubriendo en sus compañeros
habilidades que pueden ser compartidas entre ellos para culminar las actividades, como lo
fue el uso de la herramienta de Excel para lograr el manejo adecuado de los datos.
Estudios anteriores a la presente investigación también logran evidenciar cómo en el
aula se pueden llevar datos reales y conseguir aproximaciones significativas a las que logran
grandes investigadores en el área de la Astronomía, específicamente como se presenta en la
“Construcción de un diagrama de Hubble: una herramienta para la enseñanza de la
astronomía” Por Cardona (2016), y a su vez en datos teóricos realizados en “Analysis of
Anisotropy in the Hubble Flow” por Torres (2018), quienes presentan de forma teórica la
construcción del diagrama y esta es comparada en la propuesta pedagógica obteniendo
resultados aproximados.
Es importante resaltar que para futuros trabajos, y siguiendo con el propósito de
trabajar datos reales, se deja la posibilidad de realizar estudios de las anisotropías del
Universo, como parte de herramientas pedagógicas dentro de los clubes de Astronomía.
Es así que, se hace la invitación de seguir incentivando el diseño de herramientas
pedagógicas en enseñanza de la Astronomía a partir de datos reales y llevar al estudiante a
generar interrogantes y metas específicas que no está fuera de la realidad establecida.
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99
Anexos
Actividades de la propuesta didáctica
CLUB DE ASTRONOMÍA
ALTAIR “fly trough skies”
FECHA: DIA _____ MES _____ AÑO_____
DOCENTE: LINA MARCELA GIRALDO ÁVILA
Nombres:___________________________________________
Actividad 1: Cuerpo negro y su relación con cuerpos celestes
Objetivo: Determinar la temperatura de una estrella tipo K a partir de la teoría de
radiación de cuero negro.
Metodología
A continuación, encontraras un marco teórico en el cual será expuesto la teoría de
radiación de cuerpo negro y a partir de esta resuelve la actividad propuesta.
RADIACIÓN DE CUERPO NEGRO
Se considera un cuerpo negro aquel cuerpo ideal capaz de absorber toda la energía que
incide sobre el. En astronomía el estudio de cuerpo negro permite calcular la temperatura
de los cuerpos a través de algunas teorías sencillas como lo son:
6. Para calcular la cantidad de energía emitida Stefan-Boltzman encuentra una
relación donde la energía total emitida era proporcional a la temperatura absoluta
elevada a la cuarta potencia
𝐸 = 𝜎𝑇𝑒4
donde 𝜎 = 5.67𝑥10−8𝐽/𝑠𝑚2 𝐾4 es la constante de Stefan-Boltzmann y 𝑇𝑒 es la
temperatura efectiva, para la radiación del cuerpo negro, y con la cual fue posible
calcular las primeras temperaturas solares.
7. Wien en 1893 demostró mediante supuestos termodinámicos su ley de
desplazamiento, que especifica que hay una relación inversa entre la longitud de
100
onda en que se produce el pico de emisión de un cuerpo negro y su temperatura
absoluta, logrando así conocer la temperatura de cualquier cuerpo astronómico si
se tiene la longitud de onda o viceversa.
𝜆𝑀𝑇 = 0,0028976𝑚𝐾
8. Si conocemos la luminosidad de las estrellas se puede calcular su radio, por
medio de la siguiente relación:
𝐿 = 4𝜋𝑅2𝜎𝑇4
ACTIVIDAD:
A continuación, se presenta el espectro de emisión del sol obtenidos de forma real por C.
A. GUEYMARD, D. M. (2002). Proposed reference irradiance spectra for solar energy
systems testing. Elsevier science Ltd , 73 (6), 443-467, el cual presenta un reajuste que
aproxima el espectro de emisión de una estrella tipo K, la cual es de color anaranjado.
Imagen 21 Espectro solar en función de la longitud de onda.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,000002 0,000004 0,000006 0,000008 0,00001 0,000012
WEH
RLI
, W/M
2/A
(*4
)
WAVELENGTH (M)
101
1. A partir del espectro anterior realiza una gráfica en papel milimetrado donde des
cuenta de la intensidad en función de la temperatura del espectro solar. Para esto
construye la tabla de datos que se muestra a continuación y con ayuda del marco
teórico determina el valor aproximado de la temperatura para cada punto del
espectro. (Utiliza los puntos que consideres necesarios para la construcción de la
gráfica)
Wehrli, W/m2/A (*4) Longitud de onda (m) Temperatura (K)
102
2. A partir de la gráfica identifica el punto máximo y la temperatura máxima efectiva
de la estrella.
3. ¿Cuál es la cantidad de energía emitida por la estrella a ese valor de temperatura
efectiva encontrada en el punto anterior?
4. ¿Si tenemos que el radio de dicha estrella es de 6,95700𝑥108metros
aproximadamente cuál es la luminosidad de la misma?
REFERENCIAS:
C. A. Gueymard, D. M. (2002). Proposed reference irradiance spectra for solar energy
systems testing. Elsevier science Ltd , 73 (6), 443-467.
Giraldo Avila, L. M. Introducción al Concepto de Cuerpo Negro en la Educación Media.
CLUB DE ASTRONOMÍA
ALTAIR “fly trough skies”
FECHA: DIA _____ MES _____ AÑO_____
DOCENTE: LINA MARCELA GIRALDO ÁVILA
Nombre: _____________________
ACTIVIDAD 2:
Temperatura efectiva del universo a través del concepto de cuerpo negro.
Objetivo: Identificar la temperatura efectiva del universo a partir del concepto de cuerpo
negro.
ACTIVIDAD
1. Observa el siguiente video: https://www.youtube.com/watch?v=kH2rX6ULhlI La
radiación cósmica de fondo observada por Planck – 2013, en el cual Sergio Torres
Arzayus astrofísico, explica el mapa de radiación remanente del Big Bang tal como
fue observada por los proyectos Planck de la ESA y WMAP de la NASA, además
103
se explican todos los detalles de esta maravillosa observación del origen del
universo.
2. A continuación tendrás un espectro de emisión obtenido por el instrumento FIRAS
(Far Infrared Absolute Spectrophotometer) a bordo del satélite COBE quien mide
temperaturas de la radiación cósmica de fondo, y quienes declaran por (Mather, y
otros, 1990) y retomado por (Arzayús, 2010) que el espectro posee una distribución
espectral Plankiana como se puede observar en la ilustración. Este espectro a sido
modificado para la obtención de los datos en función de la longitud de onda, A
partir de sus conocimientos en la radiación de cuerpo negro intenta calcular la
temperatura efectiva del Universo. Para esto completa la tabla de datos que se
presenta a continuación y reconstruye una nueva grafica en donde muestres el
espectro en función de la temperatura, puedes utilizar una hoja milimetrada o Excel
para realizar la gráfica.
Longitud
de Onda
(m)
Luminosidad 10-4
ergs/sec/cm*2/sterd
ion/cm*-1
Temperatu
ra (K)
Longitud
de Onda
(m)
Luminosidad 10-4
ergs/sec/cm*2/sterd
ion/cm*-1
Tempera
tura (K)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 0,003 0,0035 0,004 0,0045
Lum
ino
sid
ad
10
-4 e
rgs/
sec/
cm*2
/ste
rdio
n/c
m*-
1
Longitud de onda (m)
Curva teórica de cuerpo negro superpuesta a los datos obtenidos por FIRAS
104
0,000326
08 0,3
0,001508
12 1
0,000407
6 0,4
0,001569
26 0,945
0,000448
36 0,5
0,001589
64 0,93
0,000489
12 0,6
0,001650
78 0,88
0,000529
88 0,7
0,001711
92 0,82
0,000611
4 0,78
0,001773
06 0,79
0,000652
16 0,84
0,001834
2 0,75
0,000713
3 0,95
0,001915
72 0,7
0,000733
68 1
0,001956
48 0,65
0,000774
44 1,025
0,001997
24 0,6
0,000855
96 1,07
0,002099
14 0,58
0,000866
15 1,1
0,002139
9 0,55
0,001019 1,15
0,002180
66 0,48
0,001100
52 1,145
0,002241
8 0,45
0,001141
28 1,14
0,002302
94 0,43
105
0,001202
42 1,138
0,002343
7 0,39
0,001263
56 1,13
0,002404
84 0,35
0,001314
51 1,1
0,002445
6 0,34
0,001365
46 1,05
0,002527
12 0,33
0,001426
6 1,045
0,001508
12 1
3. A partir de la gráfica identifica el punto máximo y la temperatura efectiva del
Universo
4. ¿Cuál es la cantidad de energía emitida por la estrella a ese valor de temperatura
efectiva encontrada en el punto anterior?
5. Crees que el Universo se comporta como un cuerpo negro, ¿Por qué?
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background spectrum by the Cosmic Background Explorer (COBE) satellite. (A.
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106
VALIDACIÓN
EXPERTOS ACTIVIDADES
107
PARES ACADÉMICOS CUESTIONARIO 1
108
PRUEBA PILOTO
109
110