9.1: Un modelo de trabajo de las fases lunares

Hemos mirado antes las fases lunares; esta fue una de nuestras primeras actividades, pero encontramos que este modelo tenía fallas. Si bien la Luna es redonda, nuestro viejo modelo de arcilla de las fases era completamente plano. También notamos que si bien el viejo modelo predecía lo que iba a suceder a continuación con las fases lunares, era notablemente deficiente en explicar cómo funcionaban las fases o por qué cambiaban como lo hacían. Esto ayudó a nuestros estudiantes a reconocer que todos los modelos científicos tienen fallas y están incompletos en lugares.

Ahora es el momento de crear un nuevo modelo, uno que tome en cuenta tanto la forma de la Luna, como su movimiento a medida que orbita la Tierra. Nuestro nuevo modelo también tendrá en cuenta la luz. Las fases lunares son obviamente un juego de luz solar y sombra, por lo que también incluiremos la luz del Sol en nuestro nuevo modelo. Puede parecer a primera vista que agregar forma, movimiento y los efectos de una fuente de luz distante a nuestro modelo lo haría demasiado complejo para entenderlo fácilmente, ¡no es así! El poder de un buen modelo científico para explicar y simplificar a menudo se subestima mucho, ¡como pronto te mostrarán tus alumnos!

Estándares Académicos

Prácticas de Ciencia e Ingeniería

• Desarrollo y uso de modelos
• Analizar e interpretar datos
• Construyendo explicaciones
• Argumento de la evidencia

Conceptos transversales

• Patrones en la naturaleza
• Causa y efecto
• Sistemas y modelos de sistemas
• Estabilidad y cambio

Estándares científicos de próxima generación

• Sistemas espaciales (K-5, 6-8, 9-12)
• Estructura y función (K-5, 6-8, 9-12)
• Ondas y radiación electromagnética (6-8, 9-12)
• El sistema Tierra-Luna (6-8, 9-12)
• Gravitación y órbitas (6-8, 9-12)

Para el Educador

Datos que necesitas saber

1. Planetas y lunas están todos en movimiento. Bien, esta parece obvia, pero las implicaciones de lo que eso significa cuando estás observando el cosmos desde una plataforma giratoria, orbitando no son tan simples como pueden parecer.
2. Agregar movimiento a nuestro modelo del sistema Tierra — Luna finalmente responderá al “¿Cómo funcionan las fases?” pregunta que nos ha estado fastidiando a lo largo de este libro.
3. Es el movimiento mismo de los planetas, y la invención del telescopio astronómico por Galileo, lo que le permitió probar que el modelo centrado en el Sol de Copérnico era de hecho correcto, y el modelo centrado en la Tierra de Aristóteles y Ptolomeo estaban equivocados.

Docencia y Pedagogía

Una de las tareas más profundas y difíciles que enfrentamos cuando comenzamos a enseñar a los estudiantes utilizando modelos físicos es hacer la transición de un modelo estático a uno dinámico. Considera que muchos estudiantes hoy en día aprenden ciencias al mirar imágenes en un texto o en una pantalla. Es bastante impactante cuando uno se da cuenta de lo poco que ocurre la ciencia basada en actividades en la mayoría de las escuelas. Podríamos rumiar sin cesar sobre las causas de este estado de cosas, pero el punto es que los estudiantes (y muchos maestros) están completamente desfamiliarizados con los modelos dinámicos.

Un modelo dinámico en movimiento a menudo ayuda a crear un maravilloso 'a-ha! ' momento que levanta una idea de la página y la hace parte de la realidad cotidiana de un niño. Una vez más, el juego será una parte importante de nuestra enseñanza. Los niños pueden mirar vacantemente una foto o un video, pero todavía tengo que conocer a un niño que juegue con un juguete simplemente mirándolo.

El impulso del alumno de recoger un modelo y jugar con él debe ser gratificado. Como maestros, nuestro trabajo en este punto no es impedir que el niño 'juegue con el equipo de ciencia', sino más bien guiar al niño para que haga observaciones y descubrimientos útiles durante el juego. Este es un modelo de enseñanza diferente al que crecí para estar seguro, ¡pero ha sido una pedagogía poderosa y efectiva en mi propio salón de clases durante muchas décadas!

Resultados de los estudiantes

¿Qué descubrirá el alumno?

1. Los estudiantes descubrirán cómo funcionan realmente las fases de la Luna. Esto no es sólo cuestión de ángulos y geometría simple, sino de perspectiva y de dónde te paras para ver el cosmos.
2. El movimiento es una parte crítica de cualquier modelo de sistema solar. Hasta que incorporemos el movimiento de los planetas girando sobre sus ejes y girando en sus órbitas nuestros modelos quedarán incompletos.
3. El punto de vista del observador es un factor crítico. Las fases de la Luna que vemos no son un fenómeno universal, dependen de nuestra posición privilegiada como observamos desde la superficie de la Tierra. Si vemos las lunas de Marte, Júpiter o Saturno, no veremos tales fases.

¿Qué aprenderán tus alumnos sobre la ciencia?

1. ¿Cómo demostró Galileo en realidad que las ideas de Copérnico eran correctas? ¿Cómo demuestra algún científico que sus ideas son correctas y las viejas ideas están equivocadas? ¡Este es un tema que seguiremos desarrollando a lo largo de este libro!
2. ¿Cómo funcionan realmente las fases de la Luna? ¿Qué proceso mecánico los crea y hace que cambien como lo hacen? Exploración del ¿Cómo funciona eso? cuestión en la ciencia es fundamental. Generalmente comenzamos una investigación científica con ¿Qué es eso? y posteriormente avanzar a ¿Cómo cambia eso con el tiempo? Pero al final, esos regañosos ¿Cómo hace eso? las preguntas deben ser atendidas!
3. Nuestro nuevo modelo es muy diferente. Se plantea la hipótesis de una serie de cosas que damos por sentadas, pero históricamente no siempre fueron claras para pensar hombres y mujeres. Primero, nuestro modelo supone que la Luna es en realidad redonda, un cuerpo esférico como la Tierra. En segundo lugar, dice que el Sol es la única fuente de luz, y que brilla sobre la Tierra y la Luna por igual y con idéntico efecto (la mitad del globo está siempre iluminada, la mitad siempre está en la oscuridad). Tercero, este modelo plantea la hipótesis de que es el movimiento de la Luna alrededor de la Tierra (y los ángulos cambiantes entre el Sol, la Tierra y la Luna) lo que provoca los cambios en las fases lunares que vemos.
4. Lo último que aprendemos de la ciencia en esta actividad es lo más importante. Al hacer estas nuevas hipótesis sobre la forma y el movimiento de la Luna que afecta a las fases lunares, de hecho hemos desarrollado un modelo científico completamente nuevo. Nuestras pruebas nos muestran algo nuevo, cómo funcionan realmente las fases de la Luna y cómo la forma y el movimiento orbital de la Luna las crean. Pero nuestro modelo hace algo más —reconfirma lo que ya sabíamos. Cuando tus alumnos dibujaron las fases lunares en papel mientras movían su modelo Luna en órbita, confirmaron el modelo de fase lunar con el que comenzamos, y reconfirmaron la evidencia de sus propios ojos cuando levantaron la vista al cielo y observaron que las fases lunares cambiaban de noche a noche.
5. Nuestro nuevo modelo nos enseñó algo nuevo y reconfirmó lo que ya habíamos descubierto. Este es el gran barrido y majestad de una teoría científica. Una teoría científica explica todo lo que ya sabemos sobre un tema. Nuestra teoría responde viejas preguntas molestas, a veces preguntas que han desconcertado a hombres y mujeres pensantes durante siglos. Nuestra teoría también nos señala el camino hacia nuevos conocimientos y nos ayuda a enmarcar nuevas preguntas que antes ni siquiera sabíamos hacer.
6. Una teoría científica, como la que acabamos de explorar sobre la forma y el movimiento de la Luna provocando las fases lunares familiares, suele ser una obra de genio y el producto de toda una vida de trabajo y lucha diligente. Recordamos a los hombres y mujeres de disciplina y genio que desarrollaron estas teorías y muchas veces nombran estas teorías en honor a sus descubridores. Cuando Newton dijo: “¡Si veo más lejos que otros hombres, es porque estoy sobre los hombros de gigantes!” , se refería a esas personas de ciencia que habían acudido antes que él e hicieron posible su trabajo.
7. En este punto de mi clase, a menudo les pregunto a los estudiantes si alguna vez han escuchado a alguien decir: “No lo sabes a ciencia cierta, ¡es solo una teoría! ” Muchos de ellos tienen, y después de esta actividad les resulta fácil ver lo poco científica que es en realidad esta afirmación. Nuestro objetivo como educadores STEM es ayudar a los estudiantes a comprender la diferencia entre hechos, hipótesis y teorías científicas integrales.

Realización de la Actividad

Materiales

1. Tres pelotas de ping-pong blancas por grupo de estudiantes
2. Seis fichas de póquer por grupo (puedes sustituir gorras de bebidas deportivas si quieres)
3. Un juego de 6-10 potentes imanes (para el modelo del profesor)
4. Un tubo de pegamento de silicona
5. Super pegamento de un tubo (opcional)
6. Una lata de pintura en aerosol negra plana
7. Una lata de pintura en aerosol amarilla brillante
8. Rollo de cinta de enmascarar de 2” de ancho
9. Regla de madera o plástico (en realidad, casi cualquier palo resistente servirá)

Construyendo el Modelo de Fases Lunares

1. Puedes volver a utilizar tu modelo Sun de la Actividad #20 aquí.
2. [Profesor] Tus dos pelotas de ping-pong restantes deben ser de color medio negro, y la mitad dejadas de blanco sin pintar; el lado negro representará la noche, el lado blanco será el lado diurno de la luna o del planeta. Si deseas ahorrar tiempo, puedes reutilizar el modelo Venus de la Actividad #20 como tu modelo Luna aquí. Como explicamos en la Actividad #20, hay dos formas fundamentales de pintar pelotas de ping-pong medio negras: una a la vez (muy pulcras y precisas), o en lotes de una docena más o menos a la vez (menos precisas, pero ahorran mucho tiempo). Ver la Actividad #20 para más detalles.
3. Ahora es el momento de decorar la Tierra y la Luna usando marcadores. Hay dos enfoques para esto, el preciso y el creativo: ¡debes decidir cuál funcionará mejor para tus stud ents! Para un modelo preciso, usa fotos o mapas de la Tierra y la Luna y dibuja en continentes, océanos, crestas de montaña, praderas verdes, islas, etc. Incluso puedes usar un poco de pintura blanca (¡o líquido corrector!) para agregar tormentas y nubes a su modelo de Tierra. La Luna no tendrá color, lo hará todo gris y blanco (los tonos más pálidos funcionarán mejor). ¡Dibuja los cráteres maria y prominentes y haz que el modelo sea lo más preciso que puedas! Para un modelo creativo, haga que los estudiantes dibujen continentes, islas, océanos de la manera que deseen. Incluso puedes hacer que nombren sus creaciones planetarias. Una luna creativa puede tener maria, montañas, cráteres, etc. Algunas lunas incluso tienen océanos, ¡aunque no siempre están llenas de agua! Para los efectos de nuestro modelo, no importará qué enfoque tome. Los mundos alienígenas con lunas inexploradas todavía tienen fases de la misma manera, y por las mismas razones, ¡que las tenemos aquí en la Tierra con nuestra Luna! Cuando termines de decorar, pega los planetas y lunas a sus bases con pegamento de silicona. Después de que estén secos (¡24 horas!) , una capa rápida de sellador de arte transparente no va a salir mal (laca anticuada laca para el cabello funciona bien para esto si puedes encontrarlo!) — ¡a menudo ayuda a evitar que el marcador se salga de nuevo en las manitas!
4. ¡Tu modelo ya está listo para jugar y explorar!

Explorando el modelo de las fases lunares

Ahora que los alumnos han hecho sus modelos, es momento de divertirse un poco con ellos. A pesar de la escala de escritorio de este modelo, trabajar con ella es una experiencia activa para los estudiantes, y una que les ayudará a apreciar nuestra perspectiva de estar en la Tierra y mirar hacia el espacio de una nueva manera. Esta es una de mis actividades favoritas, ¡la delicia que trae tanto a jóvenes como a mayores es refrescante y contagiosa!

Si has hecho un juego de modelos planeta de ping-pong para ti mismo, sigue adelante y coloca imanes en la parte inferior de las bases con algún superpegamento o pegamento de silicona. No uses imanes de refrigerador gomosos baratos, no van a hacer. Los modelos hechos con estos débiles imanes se deslizan por la superficie resbaladiza de la pizarra; esto es frustrante para el maestro y a menudo le parece bastante divertido al alumno. Un conjunto magnetizado de modelos en la pizarra blanca de la clase puede ayudar a los estudiantes a posicionar sus modelos y comprender lo que deben hacer; un modelo visual a seguir puede ser especialmente importante para los estudiantes de ESL o con necesidades especiales en su salón de clases.

Dado que este modelo solo funciona cuando lo miras desde la perspectiva correcta, debes tener cuidado de que los alumnos entiendan cómo mirar el modelo. Al usar modelos magnetizados, a menudo uso una flecha grande y colorida en la pizarra blanca (también sostenida con imanes) para mostrar a los estudiantes exactamente cómo (y desde qué dirección) mirar el modelo.

1. Comience haciendo que los estudiantes coloquen el Sol, la Tierra y la Luna en un trozo de papel de construcción grande sobre la mesa frente a ellos como se muestra aquí. Asegúrate de que los lados 'iluminados' de la Tierra y la Luna se enfrentan al Sol (¡obviamente!) y el lado oscuro y sin luz mira hacia el otro lado. Normalmente hago una especie de pregunta engañosa en este punto; “¿Cómo llamamos el lado iluminado de la Tierra que mira hacia el Sol?” La respuesta, por supuesto, es “Día”, que provoca tanto gemidos como risas. ¡Sirve para recordar a los estudiantes que hay una perspectiva cósmica y peatonal para este modelo!
2. Ahora haga que los estudiantes muevan la Luna en órbita, recordándoles que mantengan el lado iluminado de la Luna siempre de cara al Sol distante. ¿Dónde están las fases lunares? ¡La respuesta a esto depende de dónde está tu ojo relativo al modelo! Desde la perspectiva del modelo Tierra y Luna, tu ojo muy por encima del escritorio (tu posición de visualización) está a millones de millas en el espacio por encima del Polo Norte. Aunque ningún humano ha estado tan lejos en el espacio, si estuvieras ahí, ¡tampoco verías el ciclo de la Luna a través de las fases lunares! Estudiantes en este punto puede estar un poco frustrado, pero no temas, ¡todo se revelará en el siguiente paso! Dependiendo de la edad y sofisticación de tus alumnos, este puede ser un buen momento para recordarles la escala de las cosas del sistema solar de 1000 yardas (actividad #18). Nuestro modelo está 'mintiendo' sobre la distancia entre la Tierra y el Sol, así como sobre el tamaño relativo de la Tierra y la Luna, pero estas pequeñas imprecisiones no afectarán los experimentos que estamos por hacer, ni la verdad de lo que estamos aprendiendo.
3. Ahora pregunten a los alumnos “¿De dónde vemos la Luna?” Bien, otra pregunta complicada, ¡pero vemos la Luna desde la superficie de la Tierra! Haz que los estudiantes pongan la vista cerca del modelo de la Tierra y miren la Tierra hacia la Luna — ¡ahora pregúntales qué ven! ¿Recuerdas esa colorida flecha en la pizarra? ¡Aquí es donde entra en juego! (Esta flecha es especialmente útil con los estudiantes más jóvenes). ¡Tus alumnos verán una fase de luna llena! Pídales que dibujen una fase de luna llena (un círculo vacío) en esta posición donde la Luna está sentada en el papel y la etiqueten. Es posible que desee que trazen un círculo con una moneda o una gorra deportiva para mantener las cosas ordenadas.
4. Avanzar la posición de la Luna en sentido antihorario en órbita 45 grados como se muestra a continuación, recordando mantener el lado iluminado de la Luna frente al Sol. Que los estudiantes pongan su ojo cerca de la Tierra y una vez más miren la Tierra hacia la Luna. Si han mantenido todo alineado correctamente, ahora verán una fase lunar giboidea. Una vez más, haz que dibujen un círculo cerca de la posición de la Luna y hagan sombra y etiqueten la fase tal como la ven.
5. Muy probablemente, los estudiantes estarán muy por delante de ustedes ahora y podrán seguir avanzando a la Luna 45 grados cada vez, luego mirando más allá de la Tierra y dibujando la fase tal como la ven. En muy poco tiempo, tus alumnos habrán recreado el familiar mapa de las fases lunares con las que iniciamos este libro en la actividad #1. Esto no es repetitivo, en cambio tiene un gran valor pedagógico como pronto veremos!

Preguntas de Discusión

1. ¿En qué se diferencia este nuevo modelo de nuestro modelo de fase lunar de círculo arcilloso?
   • Respuesta: La Tierra y el Sol se muestran en este modelo.
   • Respuesta La Tierra, la Luna y el Sol se muestran como redondos en este modelo
   • Respuesta La Luna se mueve en este modelo.
2. ¿Qué hace el Sol en nuestro modelo? ¿Por qué lo incluimos aquí?
   • Respuesta El modelo Sol nos recuerda de dónde viene la luz y nos muestra lo directo de donde brilla.
3. ¿Qué crees que hace que las fases de la Luna cambien como lo hacen?
   • Respuesta El movimiento de la Luna en órbita alrededor de la Tierra.
   • Respuesta El ángulo cambiante entre el Sol, la Tierra y la Luna.
4. ¿En qué se diferencia este modelo o mejor que nuestro modelo anterior de fases lunares?
   • Respuesta Este modelo muestra cómo funcionan las fases —no solo lo que sucede después.
   • Respuesta Este modelo incluye a la Tierra, la Luna y el Sol trabajando juntos para crear las fases lunares; el viejo modelo acaba de mostrar la Luna.
   • Respuesta Este modelo incluye movimiento y tiempo — no es un modelo estático como una imagen o dibujo.
5. ¡Haz un dibujo y úsalo para explicarle a tu compañero de silla cómo funcionan las fases lunares!

Materiales Suplementarios

Profundizando

Se les puede decir a los estudiantes “¡El ángulo entre el Sol, la Tierra y la Luna crea las fases lunares!” todo lo que desees, y haz que estudien diagramas en libros de texto o en carteles, pero nada de lo que he hecho en un aula ha sido tan poderoso como esta sencilla actividad para ayudar a los estudiantes a entender que es el movimiento de la Luna alrededor de la Tierra y la geometría de la órbita lunar combinada con nuestra perspectiva única aquí en la Tierra el crea fases lunares.

Si realmente quieres una victoria para la ciencia STEM en tu salón de clases, haz que tu administrador venga a tu habitación después de que termine esta actividad y pídale a tus alumnos que enseñen al Director cómo funcionan las fases lunares. Tus alumnos estarán encantados de mostrar sus conocimientos y pericia a tu jefe, y el modelo es tan impresionante que jóvenes y mayores encuentran deleite en ella.

Todo el mundo parece aprender algo nuevo la primera vez que lo prueban por sí mismos. Si tienes una noche de regreso a clases o una noche de padres en tu escuela, esta es una manera fácil y poderosa para demostrar un aprendizaje emocionante y activo en tu salón de clases. Esta actividad nunca deja de impresionar; de hecho, cuando vine a entrevistarme para mi cargo actual como Profesor de Educación STEM en mi universidad, ¡esta es la lección que elegí presentar a mi jefe y futuros colegas!

Ser astrónomo

Si tienes un telescopio o una relación activa con el club de astronomía local, es un excelente momento para otra mirada a través del ocular. Si no tienes acceso a un telescopio pequeño, prueba a mirar fotos de alta resolución de la Luna en línea.

Si tienes la suerte de poder ver la Luna en la fase del primer cuarto, mira a lo largo del terminador, la línea divisoria entre la luz y la oscuridad; este es el lugar donde el amanecer está sucediendo en la superficie lunar y las sombras son las más largas y dramáticas. Mire las sombras que se encuentran dentro de los cráteres cerca del terminador, luego gradualmente barre su vista hacia la porción más iluminada de la superficie lunar.

Si miras cuidadosamente, verás que a medida que barres desde el terminador y hacia la luz, las sombras dentro de los cráteres se hacen más pequeñas — ¡esto se debe a que el Sol está más alto en el cielo en estos lugares! En realidad estás viendo cómo cambian las sombras cuando cambia el ángulo del Sol en el cielo, ¡y así es exactamente como funcionan las fases lunares! El ángulo cambiante del Sol que brilla en la Luna visto desde nuestra perspectiva sobre la Tierra provoca los patrones cambiantes de luz y sombra que llamamos las fases de la Luna.

Ser científico

Si examinamos cuidadosamente nuestro modelo de fase lunar o le tomamos fotos con un celular, notará que el terminador, la línea que separa la luz de la oscuridad en la superficie de la Luna, siempre se extiende de un polo lunar al otro.

La razón de esto es simple, mirando hacia abajo a la Luna desde lo alto del ecuador lunar, nosotros los astrónomos en la Tierra podemos ver ambos polos a la vez. Al pedir a los alumnos que dibujaran fases de la Luna al aire libre en mis clases de astronomía, noté algo curioso, muy pocos alumnos dibujaban la sombra terminadora que se extendía de un polo a otro.

¿Puedes verificar este dato curioso en tus propias observaciones de la Luna? No es difícil, todo lo que necesitas es tomarte el tiempo para mirar a la Luna a simple vista, o a través de binoculares si los tienes. ¡Mira si puedes extremos extremos del terminador estar separados 180 grados en lados opuestos de la Luna como sugiere el modelo que deben hacer!

Seguimiento

Los eclipses lunares son mucho más comunes que los eclipses solares, ¡y generalmente son mucho más fáciles de ver! Si tú y tus alumnos tienen la oportunidad de observar un eclipse lunar, podrás ver un tipo de sombra completamente diferente que se mueve a través de la superficie de la Luna.

Las fases lunares ocurren porque podemos ver tanto el lado iluminado (día) de la Luna como el lado oscuro (noche) al mismo tiempo. Durante las fases normales —no hay sombra en la Luna—, simplemente podemos ver tanto de día como de noche a la vez.

Los eclipses son diferentes —aquí la Luna se mueve hacia la sombra de la Tierra y no hay conexión con los lados diurno y nocturno de la Luna misma. En consecuencia, la sombra de la Tierra no se extiende de polo a polo como lo hace el terminador lunar. Esto demuestra que un eclipse es un fenómeno completamente diferente a las fases normales de la Luna.

¿Se pueden hacer bocetos cuidadosos o tomar fotos de la Luna durante un eclipse lunar que prueben esta hipótesis?