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Manual Docente PARA 8º BÁSICO

Con la colaboración de Cristián Cortés, PhD, Astrofísico, Departamento de Física, Facultad de Ciencias Básicas, Universidad Metropolitana de Ciencias de la Educación


Manual Docente Gabriela Ayala, Estudiante de Pedagogía en Física.

Actividad 1 “Evolución Estelar” Objetivo: Asociar el color de la estrella y su masa a su tamaño y a su tiempo de vida, por medio del análisis de gráficos y de información.

Descripción de la Actividad Esta actividad trata de la temperatura de las estrellas y su relación con los colores. Además, asocia el tiempo de vida de la estrella con su masa. A cada estudiante se le debe entregar una guía, los gráficos y los autoadhesivos para el trabajo del curso. En esta actividad se debe introducir el tema de manera que sea interesante para los estudiantes. La actividad consiste en calentar con un soplete un barra metálica y ver cómo cambia de color. Mientras más se caliente la barra, su color se irá desplazando hacia el azul. El docente podrá comenzar la actividad con una introducción motivadora. “Cuando observamos el cielo, podemos distinguir muchos puntos brillantes, estos puntos son estrellas. Las estrellas son grandes masas de gas que emiten gran cantidad de energía. Tienen diferentes colores que están asociadas a su temperatura. Además tienen diferentes masas, la cual determina cuanto tiempo viven”.

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En la Tabla P1 se muestran los temas a tratar en las actividades, así como los objetivos de aprendizaje de ciencias para el nivel de octavo básico y las habilidades a desarrollar por parte de los estudiantes.

Astronomía en el Aula

Objetivos de Aprendizaje

Habilidades

Masa de las estrellas, evolución estelar.

CN08 AE 3.04

Analizar

CN08 AE 5.03

Clasificar Comunicar Tabla P1: Objetivos de Aprendizaje y Habilidades.

Contenidos

Página

Evolución estelar

https://es.wikipedia.org/wiki/Evoluci%C3%B3n_estelar

Evolución Estelar

http://astroverada.com/_/Main/T_evolucion.html

Luminosidad

https://es.wikipedia.org/wiki/Luminosidad

Magnitud Absoluta

https://es.wikipedia.org/wiki/ Magnitud_%28astronom%C3%Ada%29

Magnitud Aparente

https://es.wikipedia.org/wiki/Magnitud_aparente

Tabla P2: Sitios web donde encontrar información de la actividad

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Actividad 1 “Evolución Estelar” Objetivo: Asociar el color de la estrella y su masa a su tamaño y a su tiempo de vida, por medio del análisis de gráficos y de información. CN08 AE 3.04: Formular problemas relacionados con los fenómenos naturales en estudio y explorar soluciones. CN08 AE 5.03: Explicar el carácter provisorio del conocimiento científico. Situación Problemática: - ¿De qué depende el color de una estrella? - ¿Cuál es la relación del tamaño de la estrella con su edad y su color? - ¿Cómo evolucionan las estrellas, de acuerdo a la masa de éstas?

¿Sabías qué…? La Evolución Estelar es el cambio de temperatura, brillo, estructura interna, etc. que experimentan las estrellas a lo largo de su vida. Comienza con su formación dentro de nubes de gas y polvo; continúa con la etapa en la cual obtienen su energía por medio de reacciones termonucleares, y termina con su extinción, la cual depende de su masa. La masa de las estrellas determina la vida de éstas. En esta actividad se quiere mostrar la relación entre la masa estelar y el tiempo de vida de las estrellas. Mientras mayor sea la masa de una estrella, menor tiempo de vida tiene esta. Las estrellas masivas consumen su combustible rápidamente ya que necesitan mantener el equilibro entre la presión interna que las puede hacer explotar y la fuerza de gravedad que las comprime.

Figura 1: Gráfico de Trayectorias Evolutivas para 0,5 – 1 y 8 masas solares.

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En la Figura 1 se muestra un gráfico con las diferentes trayectorias que realizan las estrellas al evolucionar. Se muestran estrellas de 0,5 – 1 y 8 masas solares. En esta imagen se muestra el gráfico con las diferentes regiones en las que se encuentran las estrellas en su evolución. Hay 3 tipos de estrellas (diferentes masas) de 0,5 masas solares, 1 masa solar y 8 masas solares. Se verá la evolución de cada una de éstas.

Actividad Introductoria: ¿De qué depende el color de una estrella? Materiales: a) Soplete b) Barra metálica c) Pinza de madera

Procedimiento: a) Con el soplete encendido, el profesor calienta la barra metálica. A medida que el tiempo transcurre la barra metálica cambia de color.

Precaución: El docente debe tener precaución de que todos los estudiantes estén seguros al realizar esta actividad y tener cuidado de no quemarse. Pon atención a la actividad y responde las siguientes preguntas: 1. ¿Qué color tiene la barra metálica al comenzar a calentarla? Cuando la barra se empieza a calentar tiene el color original del metal, luego comienza a ponerse roja. 2. ¿Qué color tiene la barra metálica al apagar el soplete? La barra metálica debe tornarse de color naranjo. Los estudiantes aún no conocen las frecuencias y longitudes de onda de los colores, pero si se les puede mostrar una carta de colores (espectro visible) en el orden creciente de frecuencias es decir, que comience con el rojo y finalice con el violeta para indicarles que a medida que aumenta la temperatura el color se corre hacia los azules-violetas.

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¿Sabías qué…? Los colores de las estrellas están asociados a la temperatura que éstas tienen en su superficie. Como se vio en la actividad 1. Al calentar la barra esta comienza a tener un color rojizo, luego se torna más naranja, naranja. Al seguir calentándola, se pondrá amarilla y luego azul. ¿Qué relación puedes establecer entre la temperatura de un objeto y el color? Mientras mayor sea la temperatura de un objeto, su color tiende a ponerse más azul.

Actividad 1.1 Estrellas, sus colores y edades. Situación problemática 1. ¿Cuál es la relación del tamaño de la estrella con su color y su edad?

Materiales:

a) Tabla de masas solares y tiempos de vida respecto al Sol.

Procedimiento: a) En esta actividad deberás usar la Tabla 1: Tabla de Masas Solares y Tiempos de Vidas respecto al Sol. b) Deberás responder las preguntas relacionadas con esto.

¿Sabías qué…? Las estrellas son cuerpos formados por gases que emiten luz generada en sus núcleos. La temperatura de una estrella determina el color con el que nosotros la percibimos. Al observar el cielo nocturno, se aprecia que las estrellas tienen distintos colores. Además, vemos que las estrellas tienen distinto brillo. Se define la luminosidad (L) de las estrellas como la cantidad de energía que la estrella emite por unidad de tiempo. Esta relación también es conocida como POTENCIA. Se define el brillo (B) de una estrella como una razón inversamente proporcional entre la luminosidad L y el cuadrado de la distancia (d) a la que se encuentra la estrella. L=

1 d2

Figura 2: Relación de Brillo y Luminosidad.

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En la Figura 2 se ve una vela encendida, la cual emite luz. Mientras más lejana ella se encuentre, menos brillante se ve. Lo mismo ocurre con las estrellas. Aunque éstas tengan una mayor luminosidad respecto al Sol, algunas se encuentran tan lejos que se observan con menor brillo. Las estrellas liberan energía, en forma de radiación electromagnética. Por cada kilo se liberan 6,3 x 1014J = Joule. Por ejemplo, para poder hervir agua se necesitan 2,9 x 105 (J). Esta liberación de energía en las estrellas es 100 millones de veces más. Las estrellas obtienen su energía convirtiendo hidrógeno en helio en su núcleo (fusión nuclear). Durante su vida, ellas convierten apenas un 10% de su masa de hidrógeno en helio (esta reacción permite la vida de la estrella). A partir de esto podemos calcular la energía total que libera la estrella y su tiempo de vida. En la Tabla 1 aparecen diferentes de masas de estrellas y su tiempo de vida con diferentes masas.

Masa de estrellas en masas solares

Tiempo de vida en tiempo de vida del Sol

0,1

1,0E+08

1,0

1,0E+01

5,0

5,0E-02

10,0

2,5E-03

20,0

1,0E-03

50,0

3,0E-04

Dato: El tiempo de vida del Sol (estimado) es de 11.000 millones de años.

Tabla 1: Tabla de Masas Solares y Tiempos de Vidas respecto al Sol.

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08


Los estudiantes deben estimar cuanto tiempo de vida tendrán estrellas de 0,2 y 15 masas solares. En la siguiente tabla se ven los tiempos de vida correspondientes:

Masas de Estrellas (en masas solares)

Tiempo de Vida (en años)

0,1

1 trillón

1

9 billones

5

500 millones

10 20 50

25 millones 10 millones 3 millones Tabla P3: Tabla de Masas Solares y Tiempo de Vida en años.

A partir de los datos entregados anteriormente en la tabla, responde las siguientes preguntas: 1. Estima cuanto tiempo de vida tendrá (respecto al Sol) una estrella de 8 masas solares. Esta estrella vive 4,0E-02 años respecto al Sol. 2. Estima cuanto tiempo de vida tendrá (respecto al Sol) una estrella de 15 masas solares. Esta estrella vive 0,00175 respecto al Sol. O 17.500.000 años. 3. ¿Cuáles estrellas tienen un mayor tiempo de vida, respecto al Sol? Las estrellas que tienen un mayor tiempo de vida son las que tienen menor masa respecto al Sol. 4. ¿Cuáles estrellas tienen un menor tiempo de vida, respecto al Sol? Las estrellas que tienen menor tiempo de vida, son las que tienen mayor masa respecto al Sol.

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Actividad 1.2 Evolución de las Estrellas. Situación problemática ¿Cómo evolucionan las estrellas, de acuerdo a la masa que posea cada una de ellas? ¿Sabías qué…? La evolución estelar se definió anteriormente como “el cambio que experimentan las estrellas a lo largo de su vida. Comienza con su formación dentro de nubes de gas y polvo; continúa con la etapa en la cual obtienen su energía por medio de reacciones termonucleares, y termina con su extinción, la cual depende de su masa”. Para estas actividades es necesario saber un nuevo término muy usado en astronomía y que puedes encontrar siempre en libros y páginas de Internet relacionadas con objetos astronómicos. La Magnitud, se define como la medida del brillo de una estrella (o un objeto del cielo) y las estrellas que son más brillantes tienen menor magnitud. Por ejemplo: la Luna llena tiene una magnitud de -12 y Sirius, la estrella más brillante del cielo, tiene una magnitud de -1. Betelgeuse, una estrella de la constelación de Orión, tiene una magnitud de 0,5.

Materiales: a) Gráfico b) Autoadhesivos

Procedimiento: a) En esta actividad deberás completar un gráfico con la información entregada b) Pegar los autoadhesivos en cada uno de los puntos. c) Trazar la trayectoria evolutiva para cada estrella, para las siguientes masas solares. 0,5 – 1 y 8.

Para 0,5 masas solares: Temperatura (°C)

Magnitud

3000

12,0

4000 3000

10,0

3000

7,0

3000

5,0

8,0

Tabla 2: Tabla de Magnitud y Temperatura para 0,5 masas solares.

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Para 1 masa solar:

Temperatura (°C)

Magnitud

6000

5,0

5000

2,0

4000

- 2,0

5000

0,0

4000

-3,5

3000

-6,0 Tabla 3: Tabla de magnitud y temperatura para el Sol.

Para 8 masas solares:

Temperatura (°C)

Magnitud

30000

-5,0

20000

-6,0

5000

-6,5

4000

-8,0

5000

-6,5

6000

-7,0

8000

-8,0

6000

-8,0

6000

-9,0

Tabla 4: Tabla de Magnitud y Temperatura para 8 masas solares.

En estas tablas se presentan los puntos de las magnitudes y temperaturas para cada punto, para 0,5 – 1 y 8 masas solares. Con éstos, los estudiantes deben completar un gráfico y trazar las trayectorias evolutivas para las 3 estrellas. En este gráfico se puede ver como van evolucionando las diferentes estrellas.

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Figura 3: Versión completa del gráfico sobre Trayectorias Evolutivas que los estudiantes deben llenar.

1. Describe lo que ocurre con el Sol y las otras estrellas en los diferentes puntos del gráfico. Los estudiantes deben aprender sobre cómo evolucionan las estrellas dependiendo de su masa, y como van cambiando de región de acuerdo a los puntos indicados. La estrella de 0,5 masas solares se encontrará inicialmente en la secuencia principal, luego la abandonará, con mayor luminosidad y temperatura. La estrella de masa solar, comenzará en la secuencia principal y evolucionará hacia una estrella de menor temperatura y mayor luminosidad. Finalmente, la estrella de ocho masas solares comienza con gran temperatura y mucha luminosidad y evoluciona hasta terminar con gran luminosidad pero mucha menor energía.

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2. ¿Qué relación podemos concluir respecto al tiempo de vida de la estrella en relación a su masa? Cuanto mayor es la masa que tiene la estrella, su tiempo de vida es menor. Ya que las masas se encuentran respecto a las masas solares, el tiempo de vida menor es respecto al tiempo de vida del Sol. 3. Cuanto mayor masa tiene una estrella, posee más energía. ¿De qué color es esta estrella? Las estrellas más masivas poseen mayor energía y mayor temperatura, como se ve en la actividad introductoria. Mientras mayor temperatura tiene un objeto, se verá de color azul. 4. De la misma manera si una estrella tiene una masa pequeña, posee menor energía. ¿De qué color es esta estrella? Las estrellas más pequeñas (cuando se encuentran en la secuencia principal) tienen menor temperatura y su color es naranjo o rojo. 5. Cuando una estrella tiene mayor masa posee mayor energía ¿cuánto vive esa estrella? Las estrellas de mayor energía viven menos en relación al Sol. Aclarar que estas estrellas al tener más energía y ser más masivas que el Sol, gastan más rápido su combustible, por lo que viven menor tiempo. 6. Cuando una estrella tiene menor masa posee menor energía, como tienen menor energía ¿cuánto vive esa estrella? Los estudiantes deben responder que las estrellas más pequeñas que el Sol, viven mayor tiempo. Al ser más pequeñas gastan más lento su combustible.

7. Si ves en el cielo una estrella azul, esta tiene mayor temperatura y es una estrella de menor edad. 8. Si ves en el cielo una estrella roja, esta tiene menor temperatura y es una estrella de mayor edad. Para finalizar la actividad los estudiantes deben concluir que mientras mayor sea la masa de la estrella, esta estrella vive menos tiempo, debido a que “gastan” más rápidamente su combustible para convivir con el equilibrio entre la presión de radiación que la empuja hacia afuera y la gravedad que la comprime. Las estrellas de menor masa viven mayor tiempo debido a que gastan más lentamente su energía, además el docente debe hacer un hilo conductor respecto a la actividad inicial de los colores y preguntar si tienen mayor masa y energía. ¿De qué color se verá una estrella de 30 masas solares? Los estudiantes debieran responder que se ve de color azul. El docente deberá finalizar la actividad pidiendo una conclusión a los estudiantes, los que deben decir que mientras mayor sea la masa de una estrella es más azul y que se trata de una estrella que tiene menor tiempo de vida, por lo que si se observa una estrella azul es una estrella de mayor temperatura y joven.

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Manual Docente Gabriela Ayala, estudiante de pedagogía en Física. Nicole Briones y Claudia González, estudiantes de pedagogía en Química

Actividad 2 “SUPERNOVAS” Objetivo: Reconocer la muerte de las estrellas masivas como Supernovas y como principal medio de enriquecimiento químico del Universo, por medio del reconocimiento de estructuras y el análisis de gráficos.

Descripción de la Actividad Esta actividad está relacionada con la muerte de estrellas masivas, las cuales son las responsables de liberar al medio interestelar elementos más pesados que H y He. Los elementos pesados son creados por los procesos de fusión en el interior de las estrellas, así como también durante la explosión de supernovas. Las estrellas que vemos en el cielo, aparentemente se ven del mismo color y del mismo tamaño. Anteriormente vimos que existen estrellas mucho más grandes y que éstas tienen diferentes También que, dependiendo de cuál sea su masa y su tamaño, evolucionan de una manera distinta. Ahora nos enfocaremos en las estrellas masivas y su muerte, generando una Supernova, que son de gran importancia en la creación de elementos más pesados tales como silicio, hierro, carbono, cobre, entre otros, ya que forman parte de nuestro Sistema Solar y poner entre comas de nuestra Tierra. Las supernovas se producen debido a una estrella masiva se queda sin combustible. Hacia el final de su vida, una estrella con al menos ocho veces la masa del Sol ha producido hierro en su núcleo mediante los procesos de fusión nuclear. Como las reacciones nucleares que utilizan hierro como “combustible” consumen energía en lugar de producirla, el interior de la estrella colapsa. Al no poder mantener el núcleo lo bastante caliente, el gas de ésta no puede soportar el peso de las capas exteriores y la estrella se desmorona sobre sí misma. El material se aplasta sobre el núcleo y luego rebota, produciendo la explosión. La mayoría del material exterior de la estrella se expulsa, creando una cáscara expansiva de gas llamada remanente de supernova. 1 Este Manual de Supernovas consta de tres actividades. La primera, nos muestra el significado de una supernova, y con ello un gráfico de la trayectoria evolutiva de una estrella de 15 masas solares. Cada punto indica las etapas de sus procesos de fusión. Los estudiantes deben reconocer los puntos donde se generan los diferentes elementos químicos, por medio de la información entregada en el manual. La segunda actividad nos muestra la estructura interna de una supernova, así como una simulación del proceso posterior a cuando las estrellas masivas quedan sin “combustible”. Cuando las estrellas agotan el hierro, su estructura interna se desmorona sobre sí misma. El colapso de la estructura interna de la estrella será representado por los vasos, y el lanzamiento de la pelota que los botara. Por último se representará el momento final de una estrella de 15 masas solares. Estas estrellas explotan como supernova, en las cuales sus capas externas caen, provocando que su estructura se comprima y rebote, generando una explosión. Las pelotas de tenis y ping pong representarán esta explosión, y el colapso de la estructura.

1. http://www.astrodomi.com.ar/universo/estrellas/novas/novas.htm

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Astronomía en el Aula

Objetivos de Aprendizaje

Habilidades

Supernovas

CN08 AE 3.04

Analizar

CN08 AE 5.03

Identificar

Actividad 2

Tabla P4: Objetivos de aprendizaje y habilidades

“Supernovas” ¿Conoces qué son las supernovas? ¿Dónde crees que se originaron los elementos químicos?

Situación Problemática: - ¿Qué es una Supernova? - ¿Por qué las estrellas más grandes explotan como Supernova?

Ayuda

Figura 4: Supernova

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¿Qué es una Supernova? Una Supernova es una explosión de una estrella de gran masa. Durante esta explosión se forman los elementos más pesados y se arrojan al espacio. Las estrellas masivas, varias veces más grandes que nuestro Sol, pueden crear supernovas cuando su proceso de fusión del núcleo agota el combustible. La fusión proporciona una constante presión hacia el exterior, que coexiste en equilibrio con la atracción gravitacional hacia el interior de la propia estrella. Cuando la fusión se ralentiza, la presión cae y el núcleo de la estrella se condensa, volviéndose más caliente y denso. 2

¿Sabías qué…? La fusión nuclear es un proceso natural en las estrellas. Es una reacción en la que dos o más pequeños núcleos atómicos se fusionan para formar núcleos más grandes y pesados con la liberación de partículas y grandes cantidades de energía. Estos procesos son producidos gracias a las altas temperaturas en el núcleo de las estrellas.

Actividad 2.1: ¿Qué es una Supernova? Después del Big Bang la temperatura disminuyó lo suficiente para que las partículas positivas puedan capturar electrones y formar átomos. Éstos pueden interaccionar entre sí independientemente de la radiación. La etapa de síntesis de elementos duró poco más de 20 minutos y el 99% de los elementos que se formaron eran helio e hidrógeno. El resto eran trazas de litio y berilio. Posteriormente a la formación de átomos livianos diferentes, éstos empiezan a condensarse y forman las primeras estrellas. En éstas se van a formar otros elementos. La síntesis de estos elementos depende de la temperatura que hay en el centro del núcleo de la estrella. Las reacciones de estos elementos pesados, dependen de una compleja relación entre la temperatura, la estabilidad del mismo y su vida media.

2 http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/4ESO/SituacionTierra/estrellas.html http://conceptodefinicion.de/fusion-nuclear/

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Masa estrella

Proceso

15 masas Solares

1-2

Helio

2-3

Carbono

3-4

Oxígeno

4-5

Silicio

5-6

Hierro Tabla 5 : Información Procesos evolutivos de las estrellas. para 15 masas solares

Masa estrella

Proceso

01 masa Solar

1-2

Helio

2-3

Carbono

3-4

Oxígeno Tabla 6 : Información Procesos evolutivos de las estrellas para 1 masa solar.

Figura 5: Procesos evolutivos de las estrellas.

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La Figura 5 indica los procesos evolutivos de las estrellas, específicamente de 15 masas solares y una masa solar. Recuerda que la evolución estelar es la secuencia de cambios que experimenta una estrella a lo largo de toda su vida. Cabe destacar que en el Universo hay diferentes tipos de estrellas, las cuales se clasifican de acuerdo a su color, temperatura y luminosidad, entre otros parámetros. En la Figura 5 se puede visualizar un punto (1 masa solar), es ahí donde se ubica el Sol. La razón por la cual se localiza el Sol en esta figura, es para que los estudiantes recuerden que el Sol es una estrella y que en su interior sufre procesos de fusión de hidrógeno, con la diferencia de que ésta no es una estrella masiva.

Materiales a) Figura 5. Procesos evolutivos de estrellas. b) Tabla 1 Información Procesos evolutivos de las estrellas c) Adhesivos de elementos químicos (Hierro, Silicio, Oxígeno, Carbono, Helio, e Hidrógeno).

Procedimiento a) Identifica qué elemento químico genera la estrella en cada punto de su evolución, con ayuda de la tabla 1 Información Procesos evolutivos de las estrellas. b) Pega el adhesivo del elemento en el punto del gráfico que corresponda.

Responde: 1. ¿Qué ocurre con las estrellas al ir cambiando de posición en el gráfico? Las estrellas cuando van cambiando de posición, cambian de temperatura y luminosidad. Además, cambian los elementos químicos que fusionan. 2. Compara los elementos químicos que tiene la estrella de 8 masas solares con la de 1 masa solar. ¿Qué estrella “fabrica” elementos más pesados? Los estudiantes deben responder que la estrella de 15 masas solares es la que “fabrica” elementos más pesados. El docente debe aclarar que existen más elementos que se fabrican en la explosión de la Supernova, y estos elementos se encuentran en la Tierra. Por ejemplo, el Cobre.

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3. Utilizando el gráfico de la Figura 5 ¿cuál es la temperatura aproximada para comenzar la fusión de cada elemento? Completa la información en la siguiente tabla. (Tabla 7).

Elemento químico

Temperatura/K

Helio

20.000

Carbono

24.000

Oxígeno

18.000

Silicio

10.000

Hierro

4.500 Tabla 7: Temperatura de fusión

Actividad 2.2: Estructura interna de una estrella masiva.

Figura 6: Estructura interna de una supernova.

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La Figura 6 muestra la estructura interna de una estrella masiva a lo largo de su evolución y el orden de los procesos de fusión de ésta, comenzando por los elementos más livianos, como el hidrógeno y el helio, posteriormente con el carbono y el oxígeno, y cuando ya ha agotado la gran parte del material en su interior, comienza su etapa final, donde fusiona silicio y hierro.

Materiales: a) 10 vasos de plástico. b) Pelota saltarina.

Procedimiento: a) Forma grupos de 4 compañeros. b) Forma una torre de vasos que represente la estructura interna de la estrella masiva vieja antes de explotar como supernova. c) Utiliza la figura 7 para ubicar los vasos de acuerdo al elemento y cantidad que representan (los diferentes procesos de la estrella se mostraran de distintos colores). d) Con una pelota saltarina, derriba la torre desde la parte inferior.

Figura 7: Estructura de vasos (simulación estructura interna de la estrella).

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En la Figura 7, los vasos están ordenados de la siguiente forma:

Número de vaso

Elemento químico en estrella masiva y tipo de fusión

1

Hidrógeno

2

Hidrógeno

3

Hidrógeno

4 5

Hidrógeno Hidrógeno

6

Hidrógeno

7

Helio en carbono (50%)

8

Helio en carbono (50%) Carbono en oxígeno (50%) Carbono en oxígeno

9 10

Oxígeno en Silicio (20%) Silicio en Hierro (80%)

Tabla 8: Los vasos y la proporcion de elementos químicos.

A continuación, una descripción del esquema de vasos que representa la masa de cada elemento químico en la estructura interna de una estrella masiva vieja antes de su explosión. a) Los vasos 1 representan la capa de la estrella que contiene hidrógeno que no alcanzó la temperatura necesaria para sintetizar helio, además del helio fusionado, por lo que estos 6 vasos deben ir en la estructura superior. b) El vaso 7 nos indica la parte de de la estrella que convierte hidrógeno en helio. c) El vaso 8 está dividido en dos partes iguales. La parte superior representa la parte de la estrella que convierte helio en carbono, mientras que la parte inferior representa parte de la región en donde se convierte carbono en oxígeno. d) El vaso 9 representa parte de la región en donde se transforma carbono en oxígeno. e) El vaso 10 muestra una porción superior del vaso de ⅕ que representa la región en donde se transforma oxígeno en silicio y la parte inferior de éste de unos ⅘ representando a la región en donde se transforma silicio en hierro.

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Responde: 1. ¿Cuantos vasos posee la torre que armaste? La torre posee 10 vasos. 2. De esos vasos, ¿Qué cantidad corresponde al Hidrógeno? En la torre 6 vasos corresponden al elemento Hidrógeno. 3. Con respecto al Hierro. ¿Cuál es su cantidad (en vasos)? El 80% del décimo vaso, corresponde al Hierro.

Actividad 2.3: ¡Supernovas! El mayor medio de enriquecimiento químico del Universo. En esta actividad se quiere mostrar que las estrellas masivas mueren en una gran explosión, la cual es conocida como supernova. Ellas constituyen el evento principal de enriquecimiento químico del Universo. Como fue visto en la actividad anterior, es en el interior de las estrellas en donde se fabrican algunos de los elementos químicos que podemos encontrar en el Sistema Solar. Sin embargo, existen otros que no fueron creados en los interiores de las estrellas. Esto debido a que la fusión no es posible para estos elementos. Entonces, ¿de dónde vienen los otros elementos que conocemos? Esos elementos son creados cuando las estrellas explotan como supernovas. El material expulsado en estas explosiones es calentando a temperaturas altísimas, permitiendo procesos de fusión que no son posibles en el interior de las estrellas. Las supernovas, además de crear nuevos elementos, liberan esta materia al medio, la cual es reciclada para la generación de nuevas estrellas, cuya composición química está ahora enriquecida con estos nuevos elementos.

Materiales a) Una pelota de ping-pong. b) Una pelota de tenis.

Procedimiento a) Se lanza una de las pelotas al aire y se recibe con la mano antes de caer, se lanza nuevamente y se deja caer. b) Situar la pelota de tenis sobre la pelota de ping-pong, lo más vertical posible, tal como se muestra en la figura 5. c) Se dejan caer las dos a la vez.

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Figura 8: Modelo de procedimiento Actividad 2.3

Reflexiona: - Siempre y cuando se mantengan ambas pelotas, una hacia arriba, y otra hacia abajo, la primera quedará en el aire. Pero, ¿qué sucede si se deja de empujar una pelota sobre otra? La pelota cae al suelo - Se está utilizando energía para empujar el balón hacia arriba. ¿Qué está haciendo que la pelota vuelva a bajar? Baja cuando deja de recibir energía - El mismo tipo de cosas suceden dentro de una estrella masiva. La energía generada por la fusión en el núcleo, empuja hacia fuera sobre el resto de la estrella. Pero, ¿Qué sucede si el núcleo detiene la generación de energía? El exterior del núcleo de la estrella (capas exteriores) cae hacia el centro del núcleo. Al soltar las pelotas, llegan casi al mismo tiempo al suelo. El balón grande rebota elásticamente, y sube con la misma velocidad que ha llegado al piso. En ese momento choca con la pequeña pelota de ping-pong, que baja con la misma velocidad con la que el balón sube y la pequeña sale despedida a gran velocidad hacia arriba, y llega mucho más alto. Si estos choques se repitieran con más bolas, cada vez más ligeras, que cayesen en la misma dirección, las velocidades que se conseguirían serían mayores. La explicación asociada a la supernova sería: Una onda de choque explosivo y la energía generada a partir del colapso del núcleo comienzan a moverse hacia afuera, y explota. La mayor parte de la estrella es lanzada al espacio en una explosión de supernova.

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Manual Docente Nicole Muñoz Claudia González, estudiantes de pedagogía en química.

Actividad 3

“Origen del Sistema Solar” Objetivos: Conocer de dónde proviene el Sistema Solar, reconociendo los elementos que componen su formación y cuál es su cantidad relativa.

Diferenciar, los aspectos del origen del Universo y el origen del Sistema Solar.

Descripción de la actividad: En esta actividad se conocerán los elementos que componen el

Universo y el Sistema Solar, indicando las cantidades relativas de estos elementos. Este hecho es sumamente importante, debido a que por medio de las diferencias de cantidades de los elementos se podrá identificar que el Universo y el Sistema Solar se generaron en épocas diferentes, y que uno, no es consecuencia del otro. Esta actividad se realizará con ayuda de gráficos y tablas, que muestran las cantidades de fracción en masa porcentuales de los elementos que componen el Sol y el Universo. También se utilizará una tabla periódica de abundancias, con la que se reconocerán los elementos que componen el Universo y el Sistema Solar, y se les ubicará en el grupo y período que corresponda.

Actividad

Ayuda al profesor

Astronomía en el Aula

Objetivos de Aprendizaje

Habilidades

Origen del Sistema Solar

CN 08: Octavo básico • AE 1.01 • AE 5.01 • AE 5.03

Analizar Comparar Evaluar

Tabla P5: Objetivos de aprendizaje y habilidades.

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Actividad 3 “Origen del Sistema Solar” ¿Te imaginas que ocasionó el origen de nuestro Sistema Solar? ¿Crees que el Universo y el Sistema Solar se originaron al mismo tiempo?

Situación problemática ¿De dónde crees que proviene el Sistema Solar? ¿Qué elementos de la tabla periódica crees que componen nuestro Sistema Solar? ¿Sabías qué…?

Figura 9

1

1. Hace 4600 millones de años una nebulosa dio comienzo al Sistema Solar. 2. La gravedad hizo que esta nube concentrara todo el gas y polvo en su centro. 3. El centro de este disco dio origen al Sol.3 4. El polvo y gas restante se reordenaron y formaron los planetas y cuerpos que componen el Sistema Solar actualmente.4

Figura 9: Origen del Sistema Solar

El Figura 9 muestra las etapas principales del origen del Sistema Solar, esta nos dice que el Sol proviene de una nebulosa la que colapsó producto de la gravedad, reordenando el gas y el polvo que hay en su interior. Esto, se explica por medio de la Hipótesis Nebular.

3. www.astronomia.com/astronomia/origendelsistema.htm 4. https://es.m.wikipedia.org/wiki/formación_y_evolución_del_sistema_solar

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Para más información el docente puede revisar el sitio:

https://es.wikipedia.org/wiki/Formaci%C3%B3n_y_evoluci%C3%B3n_del_sistema_solar

Ayuda

Figura 10: Teoría del Big Bang.

Hace cerca de 14.000 millones de años, el espacio y la materia estaba concentrado en un único punto. Por razones aún discutidas este punto se expandió rápidamente y la materia se distribuyó en todas las direcciones. Los choques que inevitablemente ...

produjeron desorden, hicieron que la materia se agrupara y se concentrase más en algunos lugares del espacio, y se formaron las primeras estrellas y las primeras galaxias. Desde entonces, el Universo continúa en constante movimiento y evolución. A esta teoría se le conoce como “Teoría del Big Bang”5

La Figura 10 sobre la Teoría del Big Bang, muestra, el origen y evolución del Universo, desde sus comienzos, hasta la actualidad. Tal como se menciona, el Big Bang aún es una teoría, ya que hay ciertos aspectos de ella que aún no se prueban, como el hecho del por qué se produjo la explosión.

5. http://www.astromia.com/universo/origen.htm

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Para más información el docente puede revisar el sitio:

https://es.wikipedia.org/wiki/Nucleos%C3%ADntesis_primordial Actividad 3.1: Hidrógeno y Helio, en el Sol y en el Universo Ahora que conoces las características principales de la creación del Sistema Solar, y la Teoría del Big Bang, deberás analizar los elementos químicos, y la cantidad que posee cada uno de estos sistemas.

Materiales: a) Gráfico 1 Composición de Hidrógeno. b) Gráfico 2 Composición de Helio.

Procedimiento: a) Lee atentamente los Gráficos 1 y 2 y responde las preguntas.

Gráfico 1 : Composición de Hidrógeno6.

El Gráfico 1 muestra el porcentaje de masa que poseen el Sol y el Universo en cuanto al Hidrógeno. La información indica que el porcentaje de Hidrógeno primordial, que corresponde al Universo, es mayor que el porcentaje de Hidrógeno del Sol. En otras palabras, el Sol posee un 73,5% de masa de H, mientras que el Universo posee un 73,9% de masa de H.

6. https://en.wikipedia.org/wiki/Sun

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Gráfico 2 : Composición de Helio7.

El Gráfico 2 muestra el porcentaje de masa que poseen el Sol y el Universo en cuanto al Helio. La información indica que el porcentaje de Helio primordial, que corresponde al Universo, es menor que el porcentaje de Helio del Sol. En otras palabras, el Sol posee un 24,9% de masa de He, mientras que el universo posee un 24% de masa de He. El Hidrógeno es el elemento más abundante del Universo y del Sol, mientras que el Helio es el segundo. La abundancia de los elementos más livianos, se debe a que los mismos fueron formados al muy poco tiempo (es decir, dentro de cientos de segundos) luego del Big Bang, en un proceso denominado nucleosíntesis del Big Bang. Los elementos más pesados fueron formados mucho después, dentro de las estrellas.8 Para el caso del Sol, el Hidrógeno que posee proviene de la nebulosa que dio origen al Sistema Solar.

7. https://en.wikipedia.org/wiki/Abundance_of_the_chemical_elements. 8. https://es.wikipedia.org/wiki/Abundancia_de_los_elementos_qu%C3%ADmicos

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Recuerda que los Gráficos 1 y 2 muestran en detalle la fracción en masa de hidrógeno y helio para el Sistema Solar. El hidrógeno fue formado en el Big Bang, así como también algunos elementos livianos entre ellos el helio y el litio. Otros elementos un poco más pesados se formaron a partir de la nucleosíntesis en el interior de las estrellas, este hecho produjo un cambio en la proporción de todos los elementos químicos con relación a las proporciones primordiales. En algunos casos, la cantidad de estos elementos aumentó o disminuyó. Cabe destacar que estos elementos sintetizados son liberados para su reutilización por distintos sistemas, tales como por nebulosas planetarias (proceso que una estrella como el Sol sufrirá al final de su evolución), supernovas, y otro tipo de estrellas, como gigantes rojas.

Responde: 1. ¿Cuál es el elemento más abundante del Sistema Solar y del Universo? El elemento más abundante es el hidrógeno. 2. ¿Cuál es el segundo elemento más abundante del Sistema Solar y del Universo? El segundo elemento más abundante es el helio. 3. ¿Qué sistema (Universo o Sol) posee un mayor porcentaje de Hidrógeno? El sistema que posee mayor porcentaje es el Universo. 4. ¿Qué sistema (Universo o Sol) posee un mayor porcentaje de Helio? El sistema que posee mayor porcentaje es el Sol. 5. Con respecto a la información anterior, indica ¿qué dio origen al Sistema Solar? Lo que dio origen al Sistema Solar fue una nebulosa, la teoría que intenta explicar esto es la Hipótesis Nebular. 6. ¿Cuál es la Teoría vigente que explica el origen y la evolución del Universo? La teoría del Big Bang.

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Actividad 3.2: “Elementos que componen el Sol y el Universo” Como se menciona anteriormente, el Hidrógeno y el Helio son los elementos más abundantes, tanto del Universo, como del Sol. Sin embargo, existen elementos más pesados, que también forman parte de estos sistemas. Recuerda que los elementos más livianos como el hidrógeno y el helio, y los elementos más pesados que veremos a continuación, también son sintetizados por estrellas de distintas masas, tal cual como se vio en el manual de evolución estelar, que muestra la secuencia de cambios que sufre una estrella en el transcurso de su vida.

Materiales: a) Tabla 1 Elementos que componen el Sol y el Universo. b) Lapiceras de color azul, rojo y verde. c) Tabla periódica de abundancias.

Procedimiento: a) Utiliza la información de la Tabla 1 Elementos que componen el Sol y el Universo. b) Llena la tabla periódica de las abundancias de la siguiente forma: 1. Los elementos que sean más abundantes en el Universo, escríbelos de color azul. 2. Los elementos que sean más abundantes en el Sol, escríbelos de color rojo. 3. Los elementos que posean al mismo porcentaje de abundancia, escríbelos de color verde.

Responde las preguntas. Elemento químico en estrella masiva y tipo de fusión Elemento y nº atómico

Sol

Universo

Hidrógeno (Z=1)

73,5 %

73,9 %

Helio

(Z=2)

24,9 %

24,0 %

Oxígeno Carbono

(Z=8) (Z=6)

0,77 % 0,29 %

1,04 % 0,46 %

Hierro

(Z=26)

0,16 %

0,11 %

Neón

(Z=10)

0,12 %

0,13 %

Nitrógeno (Z=7)

0,09 %

0,10 %

Silicio

(Z=14)

0,07 %

0,07 %

Magnesio (Z=12)

0,05 %

0,06 %

Azufre

0,04 %

0,04 %

(Z=16)

Tabla 9 : Elementos que componen el Sol y el Universo (porcentaje de masa que ocupan).

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La Tabla 9 muestra los elementos de la tabla periódica que más abundan tanto en el Sol, como en el Universo. Recuerda que las estrellas masivas, antes de explotar y generar las supernovas, por procesos de fusión sintetizan elementos más pesados, como los observados en la tabla 9. Cabe destacar que al explotar como supernova, las temperaturas aumentarán generando elementos de mayor masa atómica. Este fenómeno dependerá de la masa de la estrella. Dependerá de la masa de la estrella, en este caso, estrellas más grandes generan este tipo de elementos.

Tabla 10: Esquema Tabla periódica de las abundancias. En la Tabla 10 debes ubicar los elementos, siguiendo el procedimiento descrito. Estos elementos deben ocupar el lugar que les corresponde en la tabla periódica, el grupo y el período correcto.

Ayuda….

Para ubicar los elementos en su respectivo lugar en la tabla periódica, debes conocer su número atómico (Z). Éste, aumenta de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo. Realizando la proporción entre los porcentajes del Universo y el Sol, se obtiene:

Abundancia Universo (Primordial) Abundancia Sol

=

Ap As

Ecuación 1: proporciones de abundancias.

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Esta ecuación entregará la información sobre el sistema que posea mayor abundancia en cuanto a algún elemento en particular, si el número resultante es: - Mayor que uno (>1): el elemento posee mayor abundancia en el Universo. - Menor que uno (<1): El elemento posee mayor abundancia en el Sol. Ejemplo: Para calcular la proporción de Oxígeno

Ap As

=

Abundancia Oxígeno Primordial Abundancia Oxígeno Sol

=

1,04 0,77

= 1,35

1,35 es mayor que 1 (1,35 > 1), por lo que el Oxígeno posee mayor abundancia en el Universo, que en el Sol.

Recuerda que… Las estrellas que surgieron después del Big Bang generaron un cambio en la composición química que existía en el comienzo del Universo, por lo que en el momento que el Sistema Solar se comenzó a formar, estas proporciones químicas ya habían cambiado, debido a que los elementos fueron reutilizados por las nuevas estrellas que se formaron. Esto generó una diferencia en la fracción en masa de los elementos químicos que posee el Sistema Solar y el Universo.

Responde. 1. Utilizando la Ecuación 1 y la Tabla 9. Elementos que componen el Sol y el Universo, calcula las proporciones para los siguientes elementos: a. Hidrógeno. Ap As

=

Abundancia Hidrógeno Primordial

73,9

Abundancia Hidrógeno Sol

73.5

= 1,005

1,005 es mayor que 1 (1,005 > 1), por lo que el Hidrógeno posee mayor abundancia en el Universo, que en el Sol. b. Helio. Ap As

=

Abundancia Helio Primordial

24,0

Abundancia Helio Sol

24,9

= 0,96

0,96 es menor que 1 (0,96 < 1), por lo que el Helio posee menor abundancia en el Universo, que en el Sol.

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c. Hierro. Ap As

=

Abundancia Hierro Primordial

0,11

Abundancia Hierro Sol

0,16

= 0,69

0,69 es menor que 1 (0,96 < 1), por lo que el Hierro posee menor abundancia en el Universo, que en el Sol.

2. Con respecto a la información de la Tabla 9, indica el elemento más pesado y su porcentaje de abundancia tanto en el Universo, como en el Sol. El elemento más pesado ubicado en la Tabla 1 es el Hierro, su porcentaje en el Universo es de 0,11% y su porcentaje en el Sol es de 0,16%. 3. Indica a qué se debe la diferencia porcentual entre los componentes del Universo y del Sistema Solar. Las estrellas que surgieron después del Big Bang, generan un cambio en la composición química que existía en un comienzo, por lo que en el momento que el Sistema Solar se comenzó a formar, estas proporciones químicas continúan cambiando, debido a que los elementos son reutilizados por las nuevas estrellas que se forman, lo que nos da un indicio de la diferencia en la fracción en masa de los elementos químicos que posee el Sistema Solar y el Universo.

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Anexo

Glosario de Actividades Aprendizajes Esperados Habilidades

Glosario

Evolución Estelar: La Evolución Estelar es el cambio de temperatura, brillo, estructura interna, que experimentan las estrellas a lo largo de su vida. Comienza con su formación dentro de nubes de gas y polvo; continúa con la etapa en la cual obtienen su energía por medio de reacciones termonucleares, y termina con su extinción, la cual depende de su masa. Reacciones Termonucleares: La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado. Generalmente esta unión va acompañada con la emisión de partículas (en el caso de núcleos atómicos de deuterio se emite un neutrón). Esta reacción de fusión nuclear libera o absorbe una gran cantidad de energía en forma de rayos gamma y también de energía cinética de las partículas emitidas. Esta gran cantidad de energía permite a la materia entrar en estado de plasma. Las estrellas, incluido el Sol, experimentan constantemente reacciones de fusión nuclear. La luz y el calor que percibimos del Sol es el resultado de estas reacciones nucleares de fusión: núcleos de hidrógeno chocan entre sí, y se fusionan dando lugar a un núcleo más pesado de helio liberando una enorme cantidad de energía. La energía liberada llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética. Magnitud: En astronomía, magnitud es la medida del brillo de una estrella. Los antiguos astrónomos griegos llamaban estrellas de primer tamaño (primera magnitud), a las estrellas más brillantes que aparecían después del ocaso solar y a las últimas que desaparecían tras la salida del Sol, y sucesivamente estrellas de segundo tamaño (segunda magnitud), tercera magnitud, etc. hasta las estrellas de sexta magnitud, las estrellas visibles sólo con oscuridad total.

Crédito de Imágen Velas: http://www.astronomygcse.co.uk/AstroGCSE/Unit4/candles1.jpg

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Aprendizajes esperados Activdad Evolución Estelar AE 3.04: Formular problemas relacionados con los fenómenos naturales en estudio y explorar soluciones. AE 5.03: Explicar el carácter provisorio del conocimiento científico. Aprendizajes esperados actividad Supernovas AE 3.04: Formular problemas relacionados con los fenómenos naturales en estudio y explorar soluciones. AE 5.03: Explicar el carácter provisorio del conocimiento científico. Aprendizajes esperados para actividad Origen del Sistema Solar. AE 1.01: Caracterizar la estructura interna de la materia, basándose en los modelos atómicos desarrollados por los científicos a través del tiempo. AE 5.01: Describir las principales teorías del origen de la vida (creacionismo, generación espontánea, quimiosintética) y las evidencias que las sostienen o refutan. AE 5.03: Explicar el carácter provisorio del conocimiento científico. Habilidades a desarrollar en actividad Evolución Estelar Analizar: Estudiar los objetos, informaciones o procesos y sus patrones a través de la interpretación de gráficos, para reconocerlos y explicarlos, con el uso apropiado de las TIC´s. Clasificar: Agrupar objetos o eventos con características comunes según un criterio determinado. Comunicar: Transmitir una información en forma verbal o escrita, mediante diversas herramientas como dibujos, ilustraciones científicas, tablas, gráficos, TIC, entre otras. Habilidades a desarrollar en actividad Supernovas Analizar: Estudiar los objetos, informaciones o procesos y sus patrones a través de la interpretación de gráficos, para reconocerlos y explicarlos, con el uso apropiado de las TIC`s. Evaluar: Analizar información, procesos o ideas para determinar su precisión, calidad y confiabilidad. Habilidades a desarrollar en actividad Origen del Sistema Solar. Analizar: Estudiar los objetos, informaciones o procesos y sus patrones a través de la interpretación de gráficos, para reconocerlos y explicarlos, con el uso apropiado de las TIC´s. Comparar: Examinar dos o más objetos, conceptos o procesos para identificar similitudes y diferencias entre ellos. Evaluar: Analizar información, procesos o ideas para determinar su precisión, calidad y confiabilidad.

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Manual docente 8vo Básico  

Manual docente para 8vo básico desarrollado por el Instituto Milenio de Astrofísica en colaboración con la Facultad de Ciencias Básicas UMCE

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