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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

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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

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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

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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.”

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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?

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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

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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).

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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

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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.

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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.

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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

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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.

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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

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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

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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

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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.

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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

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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%

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24

Figura 3. Contenidos temáticos en los Clubes de Astronomía

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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

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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

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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

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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

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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,

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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).

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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)

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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

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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

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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:

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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

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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.

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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).

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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:

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39

(1 −𝑐ℎ

5𝑘 𝜆𝑚𝓋) . (𝑒

𝑐ℎ

5𝑘 𝜆𝑚𝓋 ) = 1 (35)

Por tanto:

𝜆𝑚 𝓋 =𝑐ℎ

4.9651.𝑘 (36)

Finalmente se tiene:

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

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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).

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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.

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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

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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

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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,

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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

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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

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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,

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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

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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

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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?

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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?

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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

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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?

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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.

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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.

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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.

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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 .

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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

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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

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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

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Figura 10. Uso de la carta celeste.

Figura 11. El universo, por estudiantes del Club.

Figura 12. Construcción de constelaciones con circuitos eléctricos.

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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

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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

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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

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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.

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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

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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

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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.

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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.

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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

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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)

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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.

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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%

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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

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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.

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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

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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

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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%

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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%

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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

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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.

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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

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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

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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.

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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,

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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.

REFERENCIAS

Arias de Greiff, J. (1993). La astronomía en Colombia.

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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

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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)

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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)

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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

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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

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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

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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?

Referencias

Arzayús, S. T. (2010). La Radiación Cósmica de Fondo. Roma: International Center for

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106

VALIDACIÓN

EXPERTOS ACTIVIDADES

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107

PARES ACADÉMICOS CUESTIONARIO 1

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108

PRUEBA PILOTO

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109

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110