LA IDEA DE SPÍN, UN MATERIAL DIDÁCTICO PARA SUENSEÑANZA- APRENDIZAJE.

 Harold Moreno Fernández

Cód.: 2006146032  

Asesor:Profesor José Orlando Organista

 Línea de profundización:

La enseñanza de la Física y la relación física matemática

Universidad Pedagógica NacionalDepartamento de Física

Bogotá D.C.2do semestre de 2009

“las ideas más interesantes de la ciencia son aquellas que tratan de las cosas más extremas,

aquellas que no podemos observar a simple vista y que incluso son difíciles de concebir”

Gabriel Gellon

“Nada puedes enseñarle a un hombre;Sólo puedes ayudarle a que lo descubra por sí

mismo”Galileo Galilei

OBJETIVO GENERAL

Elaborar un material educativo, que brinde al profesor de secundaria la posibilidad de reflexionar sobre la importancia de acercar a sus estudiantes a las nociones que subyacen a la idea de spin, sus implicaciones en la teoría cuántica y su incidencia en la tecnología moderna.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

• Identificar un conjunto de nociones básicas que subyacen a la idea de spin.

• Diseñar preguntas dirigidas a los profesores de secundaria, en donde reflejen sus puntos de vista sobre la importancia de la enseñanza de los temas modernos de la física y como ellos conciben estas teorías.

• Implementar las preguntas que se diseñaron dirigidas a los profesores.

• Diseñar y elaborar actividades alrededor de la estructura conceptual, que propicien la observación, la predicción, la discusión y la síntesis.

• estructurar y adaptar dicho conjunto de nociones para un contexto de formación de profesores de colegio.

PROBLEMATICA

• En nuestro sistema educativo público las competencias en física moderna no hacen parte de las exigencias del Ministerio de Educación Nacional.

• Por otro lado se considera a las teorías modernas como ininteligibles, anti-intuitivas, difíciles, abstractas etc., y que esta teoría solo puede ser formulada en términos de conceptos matemáticos y por ende su aprendizaje se reduce a un manejo del formalismo.

• Siendo el docente el que hace las trasposiciones pedagógicas en el aula de clase, se evidencia que no existe material que le permita al profesor aproximar al estudiante a las ideas modernas de la física, y se adolece de reflexiones didácticas que lleven a los maestros a considerar la posibilidad de llevar estos temas al aula.

ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN

¿Por qué llevar conceptos que sobrepasen la física clásica a un nivel de educación secundaria?

OTERO, M., FANARO, M., ARLEGO, M. (2009). Investigación y desarrollo de propuestas didácticas para la enseñanza de la Física en la Escuela Secundaria: Nociones Cuánticas. REVISTA ELECTRÓNICA DE INVESTIGACIÓN EN EDUCACIÓN EN CIENCIAS, 4(1), 58-74.

FERNÁNDEZ, P., GONZÁLEZ, E., SOLBES, JORDI. (2005). Evolución de las representaciones docentes en la física cuántica. Enseñanza de las ciencias, número extra. VII congreso.. .

Moreira, M. & GRECA, I. (2004). Obstáculos representacionales mentales en el aprendizaje de Conceptos cuánticos. Publicado en cambio conceptual, obstáculos representacionales, modelos mentales, esquemas de asimilación

y campos conceptuales. Porto alegre: UFRGS.

OSTERMANN, F. & MOREIRA, M. (2000). Física contemporánea En la escuela secundaria: Una experiencia en el aula involucrando formación de

profesores. Enseñanza De Las Ciencias, 18 (3), 391-404.

• el docente debe ser el actor académico más dinámico en el aula y el que construye camino para llevar el saber científico a la escuela.

• las investigaciones internacionales acerca de la enseñanza [1], y los programas curriculares de muchos países, proponen el tratamiento escolar de los conceptos fundamentales de las teorías modernas (cuántica)

• debería existir estudios en la literatura que caractericen el pensamiento del profesor permitiéndole reflexionar sobre llevar este tema al aula, y donde estos estudios le ayuden a aproximar a sus estudiantes a las ideas modernas de la física, proponiendo una alternativa para la superación de las dificultades en estos contenidos.

• buena parte de la tecnología actual se basa directa o indirectamente en la teoría cuántica que se encuentra como plataforma de la electrónica basada en semiconductores, el láser y la tecnología nuclear (NMR) y además, juega un rol central en el desarrollo de tecnologías actuales como la computación cuántica spin trónica, magneto resistencia y laser (todas estas relacionadas con el spin).

MetodologíaIdentificar nociones (heurística)

Diseño de preguntas para profesores

Diseño y elaboración de actividades alrededor de la estructura conceptual

Prueba piloto a docentes de bachillerato o docentes en formación de últimos semestres (10 y 9)

Recolección de información de una experiencia directa de trabajo con estudiantes de grado 10 y 11

Elaboración del material

MARCO TEÓRICO DE REFERENCIA

Marco Disciplinar

Evidencia experimental

• Efecto Zeeman Anómalo

•Experimento de Stern-Gerlach

•Haz de átomos de plata•Temperatura de1000°C •Dos rendijas estrechas de unos 0.03 mm •Bobina magnética de 3.5 cm de longitud •Campo magnético de una intensidad máxima de 0.1 teslas y un gradiente máximo de unos 10 tesla/cm. •La desviación de los haces atómicos conseguida era tan sólo de 0.01 mm.

Momento angular cuántizado

J=

Energía adicional de un haz de dipolos magnéticos en un campo magnético

La energía del sistema se desdobla en:

De lo anterior podemos hablar del spin como el estado de superposición de orientabilidad, y aparece cuando tenemos una divergencia de un campo magnético externo.

=Posibles estados de energía

+

• Estado de superposición de orientabilidad (spin)

Donde esta dado por (-1/2) y por (1/2) y:

+ y

,

+

Entonces podemos encontrar una matriz llamada matriz de spin de pauli

;

;

;

Matrices de spin de pauli

Finalmente estas matrices me dan la información que necesite para sistemas de dos estados, ya que la ecuación hamiltoniana se puede escribir en términos de estas matrices.

Marco Pedagógico

PEDAGOGÍA DE LA IMAGINACIÓN Y APRENDIZAJE ACTIVO

• la imaginación como herramienta para el aprendizaje

• El aprendizaje significativo y el aprendizaje relevante conforman un aprendizaje activo

 

• Predicción• Observación• Discusión • Síntesis

  Octavo semestre Noveno semestre Decimo semestre

  Ago Sep Oct Nov Feb Mar Abr May Ago Sep Oct Nov

Identificar nociones que conllevan a la idea de spin                        

Diseñar e implementar preguntas a profesoresen formación y licenciados.                        

estructurar y las nociones identificadas para un contexto

de formación de profesores de colegio.                        

CRONOGRAMA

Referencias bibliográficas

TOMONAGA, S-I. (1997). The story of spin. Chicago: Library of congress cataloging-in publication data.

FEYNMAN, R., LEIGHTON, R., SANDS, M. (1965). Feynman FISICA volumen III: Mecánica cuántica (pp. 5-6). Massachusetts CA: Addison Wesley Longman.

MERZBACHER, E. QUANTUM MECHANICS. New York (pp. 251-275). Wiley & Sons, Inc.

GELLON, G. (2007). HABIA UNA VEZ EL ÁTOMO O cómo los científicos imaginan lo invisible. Buenos aires: Siglo veintiuno editores Argentina s.a.

 SANCHEZ, J. (2001). Historia de la física cuántica (pp. 301-353).

Barcelona: Editorial Crítica, S.L España. 

SANCHEZ, M. (2006). LA EXPOSICIÓN MUSEOGRÁFICA COMO APOYO A LA ENSEÑANZA DE LA MECÁNICA CUÁNTICA. Revista Mexicana de Investigación Educativa, 11, 913-942. Lat. Am. J. Phys. Educ. 2 (3).

ORGANISTA,O., RODRIGUES, J., SEVILLA, C. (2008). Un proceso de formalización matemática: Desde las rotaciones hasta las matrices de spin de Pauli.

 CATALINA, B. (2008). UNA APROXIMACIÓN AL ESTUDIO DEL ÁTOMO,

DESDE LA PEDAGOGÍA DE LA IMAGINACIÓN PARA LA ESCUELA PRIMARIA EN POBLACIONES VULNERABLES. Ponencia presentada en el IV congreso nacional de enseñanza de la física, Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia.

SCARANI, V. (1998). Quantum computing. Am. J. Phys. 66 -11.

[1] Cuppari, Rinaudo, Robutti, y Violino, 1997; Fischler & Lichtfeldt, 1992; González, Fernández, y Solbes, 2000; Greca, Moreira y Herscovitz, 2001;

AGRADECIMIENTOS

Profesora Rugby MalangónProfesor Orlando OrganistaGrupo de trabajo del Instituto Pedagógico Nacional

Hanc y Tuleja, 2005; Jorge Cabral de Paulo y Moreira, 2004; Montenegro y Pessoa, 2002; Moreira y Greca, 2000; Müller y Wiesner, 2002; Niedderer, 1997; Olsen, 2002; Osterman y Moreira,  2000;  Ostermann  y  Ricci,  2004;  Osterman,  F;  Prado,S  y  Ricci,  T.  2006; Pessoa,1997;  Pinto  y  Zanetic,  1999;  Taylor,  Vokos,  O’Mearac  y  Thornberd,  1998;  Taylor, 2003; Zollman, 1999).