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UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA (UNIBE) MANUAL DE FÍSICA BÁSICA I RUBÉN NERIS 2014 ÍNDICE PRÓLOGO 5 NORMAS Y PRECAUCIONES 6 INTRODUCCIÓN 7 EXPERIMENTO 1 MEDICIONES Y ERRORES (PRIMERA PARTE) 9 EXPERIMENTO 2 MEDICIONES Y ERRORES (SEGUNDA PARTE) 19 EXPERIMENTO 3 FUNCIONE Y GRÁFICOS (PRIMERA PARTE) 27 EXPERIMENTO 4 FUNCIONES Y GRÁFICOS (SEGUNDA PARTE) 34 EXPERIMENTO 5 MOVIMIENTO EN LÍNEA RECTA 57 EXPERIMENTO 6 VELOCIDAD MEDIA E INSTANTÁNEA 71 EXPERIMENTO 7 TIRO AL BLANCO 79 EXPERIMENTO 8 FUERZAS EN EQUILIBRIO 89 EXPERIMENTO 9 CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA CINÉTICA 95 EXPERIMENTO 10 SISTEMA MASA RESORTE 101 EXPERIMENTO 11 HIDROSTÁTICA 121 EXPERIMENTO 12 LEY DE LOS GASES 131 BIBLIOGRAFÍA 141 APÉNDICE A. PRINCIPALES CONSTANTES FÍSICAS 142 APÉNDICE B. UNIDADES FÍSICAS Y SUS ABREVIATURAS 143 APÉNDICE C 144 APÉNDICE D 145 PROLOGO Este es un material educativo de apoyo a la práctica de los docentes del área de física de la renovación curricular que se desarrolla en la Universidad Iberoamericana, a la luz de un nuevo Modelo Educativo. El manual parte de la necesidad de que, en el marco de la señalada reforma curricular, se modificaran experimentos y técnicas de enseñanza, así como de que se introdujera la utilización de equipos de última generación, como los sensores y otros instrumentos de medidas. Tenemos pues, que conforme al nuevo modelo educativo de UNIBE, innovarnos y readaptamos en cuanto al enfoque de los experimentos en base a nuevas tecnologías, que conjuguen tanto el plano educativo como el campo de la informática, donde el análisis de datos vía los recursos informáticos, juegan un papel primordial y ayudan al estudiante a una mejor comprensión de los conocimientos que son base para sus respectivas carreras. Las necesarias innovaciones han sido incorporadas en este nuevo manual, elaborado por el profesor Rubén Neris, con la participación del cuerpo docente del Área de Física, y va dirigido a los estudiantes del Ciclo General y Básico de UNIBE. José Ant. Castillo G. Coord. del Área de Ciencias Físicas NORMAS Y PRECAUCIONES EN LOS LABORATORIOS DE FÍSICA 1. REGLAS Y CONSIDERACIONES GENERALES 1.1 La puntualidad y la asistencia son las reglas fundamentales en el laboratorio. 1.2 El estudiante deberá siempre informarle al profesor antes de salir del laboratorio, sin importar las razones. 1.3 Siempre deposite los desechos, papeles, etc. en los cestos de basura. Nunca al piso. 1.4 No deje la mesa de trabajo con materiales y desperdicios propios de los experimentos. 1.5 Mantenga limpia el área de trabajo. 1.6 Al finalizar cada experimento, colocar cuidadosamente los materiales y equipos en sus respectivos lugares. 1.7 Antes del área de laboratorio, ordene adecuadamente las butacas. 1.8 Mantener una actitud cortés y respetuosa con sus compañeros de trabajo. 1.9 La falta a un experimento implica que deberá reponerlo esa misma semana. 2. NORMAS DE SEGURIDAD PARA EL MANEJO DE EQUIPOS: 2.1 Siga las instrucciones del docente y las normas propias de cada equipo. 2.2 No juegue con los equipos del laboratorio. 2.3 Trate con cuidado todos los equipos. 2.4 Al utilizar los equipos de medición eléctrica, mantenga sus manos limpias y secas. Siempre espere que el instructor le diga cómo y cuándo usarlos. 2.5 Antes de conectar un equipo a una fuente, pídale al instructor su aprobación. 2.6 Tenga cuidado con el uso de cristales. 2.7 Si detecta alguna anomalía con el funcionamiento de un equipo, informarlo de inmediato al instructor. INTRODUCCIÓN El presente manual ha sido elaborado de forma simple y didáctica, y eminentemente práctica para su contenido sea de fácil entendimiento tanto para el estudiante como para el profesor que dirigirá las prácticas de laboratorio de Física Básica I. Esta vez hemos incorporado a la gestión de los experimentos, equipos tecnológicos de última generación que harán más interesante y preciso el proceso y los resultados de cada práctica. Gran parte de los experimentos han sido adaptados o traducido del manual Pasco para experimentos. Su contenido cubre cuatro importantes partes para el estudio de la Física: 1. La primera parte está orientada al procesamiento de resultados producto de pruebas o experimentos. Abarca los primeros tres experimentos. 2. La segunda parte se orienta al estudio de la Mecánica de los cuerpos Sólidos. Esta parte incluye Cinemática, Dinámica, Trabajo y Energía. Abarca desde el experimento 4 hasta el 10. 3. La tercera parte está orientada al estudio de los aspectos fundamentales de la Hidrostática (experimento 11). 4. La cuarta parte se orienta al estudio de algunos aspectos básicos de la Termodinámica (experimento 12) Los experimentos se han diseñado, orientándolos, en la medida de lo posible, al área de la Medicina, considerando que los estudiantes de esta materia corresponden a carreras afines. Esperamos que sea una importante herramienta en el proceso de relacionarlo con los fenómenos físicos que inciden de manera directa en la salud, y que a su vez puedan establecer el enlace adecuado con los aspectos propios de su profesión, convirtiéndose en un profesional más completo, con más capacidad de análisis crítico de lo que ocurre a su alrededor. EXPERIMENTO 1-2 MEDICIONES Y ERRORES Cortesía de Ultralivianos y Experimentales. OBJETIVOS EXPERIMENTO 1-2 MEDICIONES Y ERRORES A. Estudiar los conceptos básicos sobre medidas y errores en el laboratorio. B. Estimar una medida sin tener a mano un instrumento de medición. C. Determinar los errores en las mediciones y a redactar un informe de laboratorio. D. Utilizar la regla métrica. E. Aprender a elaborar elabora y representan los resultados de una medición. EQUIPOS REQUERIDOS: ● Reglas métricas de 1m sin divisiones. ● Reglas métricas de 1m con 10 divisiones. ● Reglas métricas de 1m con 100 divisiones. CONTROL INICIAL Antes de comenzar este experimento el estudiante debe leerlo y llenar las siguientes preguntas: 1.¿Qué es medir? 2.¿Qué es un sistema de unidades? 3.¿Cuáles son los principales sistemas de unidades? 4.¿Cuál es la diferencia entre precisión y exactitud? 5.¿Cómo se obtiene la apreciación de un instrumento de medida? 6.¿Cuántas cifras decimales podemos obtener con una regla de 1 m, sin divisiones? 7. ¿Cuántas cifras decimales podemos obtener con una regla métrica de 1m de 10 divisiones? 8. ¿Cuántas cifras decimales podemos obtener con la regla métrica de 1m de 100 divisiones? 9.¿Qué es el error? 10. ¿Tipos de errores que podemos nombrar? 11. ¿Cómo obtenemos el error absoluto? 12. ¿Cómo obtenemos el error relativo? 13. ¿Cómo obtenemos el error porcentual? 14. ¿Cuál es la diferencia entre el error absoluto y la desviación? 15. ¿Qué son cifras significativas? INTRODUCCIÓN Medir: Es la comparación de la magnitud que se está estudiando con un patrón de medidas. Si cada persona tuviera su propio patrón de medida, sólo él comprendería el valor de su resultado y no podría establecer comparaciones, a menos que supiera la equivalencia entre su patrón y el de su vecino. Por esta razón se ha acordado el establecimiento de un patrón que actualmente tiende a ser el Sistema Internacional. Las mediciones pueden realizarse de forma directa, cuando usamos un instrumento de medición en el proceso, o indirectas, cuando usamos el cálculo para obtener un resultado a partir de mediciones directas. Se puede decir que el resultado de una medida es lo que se conoce como el valor de la magnitud. Este valor debe ir acompañado de su respectiva unidad de medida. Decir que la masa de una varilla es 80.4 no significa nada, a menos que se diga que es 80.4 gr, 80.4 kg, etc. Entonces es importante que las cantidades que se midan vayan acompañadas de sus respectivas unidades de medida. Precisión: se utiliza para describir la reproducibilidad de los resultados experimentales. Se puede definir como el nivel de similitud entre los valores numéricos de varias medidas de la misma propiedad, realizadas bajo las mismas condiciones experimentales. Exactitud:denota la cercanía de un resultado experimental al valor que se acepta como correcto para dicho resultado y se expresa en términos del error. Nótese que hay una diferencia fundamental entre los términos precisión y exactitud: ésta última indica una comparación con un valor aceptado, mientras que la precisión compara un conjunto de resultados entre sí para definir su nivel de concordancia. En la figura 1.1 se muestran los resultados de una serie de disparos contra un blanco. Allí se indican cómo fueron los resultados en términos de exactitud y precisión. Fig. 1.1. Apreciación: Es la menor división en la escala de un instrumento. Cuando se lee en un instrumento con escala única, se aproxima la lectura a la división más cercana. Así, el máximo error que se puede cometer en dicha medición es de más o menos la apreciación. Cuando se desea medir longitudes, uno de los instrumentos más usados es la regla métrica, cuya apreciación dependerá del número de divisiones que tenga. La medida de la longitud de un cuerpo implica la comparación directa del mismo con la cinta métrica, es decir, hay que fijar la posición de los extremos sobre la escala graduada. Se recomienda colocar el objeto a medir en la parte de la escala donde sea posible leer con claridad ya que de hacerlo coincidir con los extremos de la escala puede introducir confusión si éstos están deteriorados. Cifras significativas: Cifras que se obtienen al realizar una medición. También se considera significativa la cifra dudosa. Las cantidades que se consideran cifras significativas siempre deben tener unidades. Cuando se expresa un número debe evitarse siempre la utilización de cifras no significativas, puesto que puede suponer una fuente de confusión. Los números deben redondearse de forma que contengan sólo cifras significativas. Se llama redondeo al proceso de eliminación de cifras no significativas de un número. Las reglas que emplearemos en el redondeo de números son las siguientes: ● Si la cifra a la derecha del número que se quiere redondear es menor que 5, el número a redondear se queda igual. ● Si la cifra a la derecha del número que se quiere redondear es mayor que 5, se toma la cifra superior del número a redondear. ● Si la cifra a la derecha del número que se quiere redondear es igual a 5, si el número a redondear es par, se queda igual, y si es impar se toma la cifra superior. Algunos ejemplos: Si redondeamos 3.678 m a tres cifras significativas, el resultado es 3.68 m. En cambio, si el número a redondear, también a tres cifras, fuera 3.673 m, quedaría 3.67 m. Para redondear 3.675 m, según la tercera regla, debemos dejar 3.68 m. Si fuera 3.685 m, según la misma tercera regla, quedaría 3.68 m. Las dos primeras reglas son de sentido común. La tercera es un convenio razonable porque, si se sigue siempre, la mitad de las veces redondeamos por defecto y la mitad por exceso. Cuando los números a redondear sean grandes, las cifras eliminadas se sustituyen por ceros. Por ejemplo, el número 3875 s redondeado a una cifra significativa resulta 4000 s. En este caso suele preferirse la notación exponencial, puesto que si escribimos “4000 s'' puede no estar claro si los ceros son cifras significativas o no. En efecto, al escribir 4×103 s queda claro que sólo la cifra ``4'' es significativa, puesto que si los ceros también lo fueran escribiríamos 4,000×103 s. Reglas de operaciones con cifras significativas Regla 1: Los resultados experimentales se expresan con sólo una cifra dudosa, e indicando con ± la incertidumbre en la medida. Regla 2: Las cifras significativas se cuentan de izquierda a derecha, a partir del primer dígito diferente de cero y hasta el dígito dudoso. Regla 3: Al sumar o restar dos cantidades tomando en cuenta las cifras significativas, el resultado debe tener la misma cantidad de cifras decimales que el factor que menos cifras decimales tiene: Si realizamos la siguiente operación: L = 26.148 m + 14.25 m, vemos que el resultado que obtenemos es 40.398 m. Sin embargo, tomando en cuenta la regla de la suma, el resultado debe ser 40.40 m. Un caso de especial interés es el de la resta. Citemos el siguiente ejemplo: 30.3475 m – 30.3472 m = 0.0003 m. Observemos que cada una de las cantidades tiene seis cifras significativas y el resultado posee tan solo una. Al restar se han perdido cifras significativas. Esto es importante tenerlo en cuenta cuando se trabaja con calculadoras o computadores en donde haya cifras que se sumen y se resten. Es conveniente realizar primero las sumas y luego las restas para perder el menor número de cifras significativas posible. Regla 4: Al multiplicar o dividir dos números, el número de cifras significativas del resultado es igual al del factor con menos cifras: Si realizamos la siguiente operación A = 3.234 m X 5.6715 m, vemos que el resultado en es 18.341631 m2, tomando en cuenta la regla de la multiplicación, el resultado debe ser 18.34 m2. Cifra Dudosa o Incierta: Se refiere a aquella cifra de la cual no estamos seguros en un proceso de medición, y la obtenemos por estimación. En una medida solo puede haber una cifra dudosa o incierta, y forma parte de las cifras significativas. Por ejemplo, si estamos haciendo una medición con una regla métrica de 1m, con 100 divisiones, solo podemos obtener medidas con dos cifras decimales y la última cifra decimal representaría la cifra dudosa o incierta. Error: Es la diferencia entre el valor obtenido de una medida y el valor verdadero de la magnitud de esta. Consideremos a continuación los diferentes tipos de errores que se deben tener en cuenta cuando se realiza una medición: Error sistemático: La característica del error sistemático es que siempre presenta una desviación sistemática. La causa de un error sistemático es siempre igual y cuando repetimos la medición, el error sistemático se queda igual. Este error se origina esencialmente por una deficiente calibración del instrumento en relación con el patrón. Los errores sistemáticos se pueden reducir al mínimo comparando la escala del instrumento con los valores proporcionados por patrones conocidos. Un error sistemático típico es el corrimiento del cero del instrumento, el instrumento no marca cero cuando la magnitud medida es nula. Error de apreciación: Mientras mayor apreciación tenga un instrumento (es decir, mientras más pequeña sea la menor división de su escala), menor será el error de apreciación. Este error es invariable y propio del instrumento, y no puede ser eliminado o reducido en forma alguna. Es una medida del error cometido por el fabricante al comparar las lecturas de su instrumento con los patrones correspondientes. Algunas veces el error que introduce el instrumento no coincide exactamente con la menor división de la escala, por lo que siempre resulta aconsejable consultar el manual proporcionado por el fabricante para conocer el valor real del error introducido. Algunos autores consideran el error de apreciación como un tipo de error sistemático, establecido por el fabricante en el momento de calibrar el instrumento 3. Errores aleatorios, probabilísticos, fortuitos o casuales: Son aquellos cuya ocurrencia es de tipo probabilístico y es por ello por lo que algunas mediciones den resultados diferentes. Esta diferencia es consecuencia de las múltiples fluctuaciones incontrolables e independientes de los factores que intervienen en la realización de una medición, debido en general a la imprecisión de las observaciones realizadas o variaciones momentáneas de los instrumentos, es decir, son errores que en una medida pueden ocurrir y en otra no. Los errores aleatorios afectan a las medidas en ambas direcciones (mayor o menor, exceso o defecto). Pueden ser causados por condiciones ambientales fluctuantes, oscilaciones propias del instrumento de medida, el observador. Es lógico pensar entonces, que el repetir muchas veces la medición de una misma magnitud disminuiría la influencia de dichos errores casuales. 4. Errores burdos: son aquellos cometidos porequivocaciones en el proceso de medición, tales como mala conversión de unidades, error tomando la lectura, mal uso del equipo de medición, etc. Es muy importante aclarar que los errores de medición no son equivocaciones. Son parte inherente del propio proceso de medición. Sin embargo, el error de paralaje es un error burdo que se comete al leer la escala de un instrumento a causa de la falta de perpendicularidad en la observación, más que un error de medición es una equivocación del operador causada por desconocimiento o mal manejo del instrumento. Este error se origina cuando el operador desconoce que, al leer la escala del instrumento, la línea de visión debe estar perpendicular a la dirección que forman la escala y el cursor. Fig. 1.2. PROCEDIMIENTO A. DETERMINANDO LA APRECIACIÓN DE NUESTROS INSTRUMENTOS DE MEDIDAS. Una regla métrica puede estar calibrada al mismo tiempo en metros, cm y mm. Su apreciación dependerá de la unidad en que se está midiendo. Por ejemplo, si la regla mide 1 m, y estamos midiendo longitudes en metros; por cada metro habrá mil divisiones, su apreciación será 1/1000 = 0.001 m. Si la medición se realiza en centímetro, por cada centímetro hay 10 divisiones, su apreciación será 1/10 = 0.1 cm; y si la medición se realiza en mm, su apreciación será 1/1 = 1 mm. 1. Forme grupos de tres estudiantes. Pídale a cada uno que determine la apreciación de las reglas que vamos a usar en metros. Regla sin divisiones: Apreciación = m Regla de 10 divisiones: Apreciación = m Regla de 1000 divisiones: Apreciación = m B. ESTIMACIÓN DE UNA LONGITUD. 2. El profesor les enseñará a los estudiantes una regla métrica de un metro de longitud. Luego con esta referencia el profesor les pedirá a varios de ellos que estimen visualmente la longitud en m, ya sea del ancho de una mesa, el ancho de la pizarra, el largo del aula, o lo que crea conveniente. Nota 1: Es preciso aclarar que el objetivo de este procedimiento en ningún caso persigue que todas las medidas sean igual, más bien se quiere establecer la capacidad de cada estudiante para estimar una medida. Tabla 1.1 MEDIDA ESTIMADA ESTUDIANTE 1 2 3 Longitud(m) Con respecto a la tabla anterior, ¿tienen todas las medidas la misma cantidad de cifras significativas? ¿Tienen todas las mediciones la misma cantidad de cifras decimales? ¿Qué cantidad de cifras decimales considera usted que deben tener las mediciones? ¿Tienen las mediciones alguna(s) cifra(s) dudosa(s)? Explique. Con las diferentes reglas descritas en la tabla 1.2 mida la longitud del objeto anterior. ¿Qué tan cerca estuvieron las estimaciones de la medición directa? Tabla 1.2. REGLA Sin divisiones Diez divisiones Mil divisiones Longitud(m) Con respecto a la tabla anterior, ¿tienen todas las medidas la misma cantidad de cifras significativas? ¿Tienen todas las mediciones la misma cantidad de cifras decimales? ¿Tienen las mediciones alguna(s) cifra(s) dudosa(s)? Explique. ¿Cuántas cifras significativas hay en la medida con la regla sin división?, ¿Cuántas cifras significativas hay en la medida con la regla de diez divisiones ¿Cuántas cifras significativas hay en la medida con la regla de mil divisiones? C. MEDICIÓN DIRECTA CON LAS REGLAS MÉTRICAS. 3. Asígnela un número a cada grupo. Los integrantes de cada grupo de trabajo realizarán ahora la medición de una longitud establecida por el profesor con cada una de las tres reglas métricas. Cada grupo debe constar de tres integrantes. 4. Como todas las mesas van a medir el mismo objeto, cada grupo hace su medida mientras el otro grupo espera. (Lo conveniente es que el objeto a medir esté fuera del salón de clase). 5. Cuando termine un grupo, apuntará los resultados de su medición con cada unas de la regla y pondrá el número de su grupo. Nota 3: Mientras esté midiendo, el estudiante no rayará ni marcará de ninguna forma el objeto que está midiendo. 6. Con los datos recopilados por los integrantes de cada grupo, llenar las tablas 1.3, 1.4 y 1.5. Cada grupo copiará los resultados obtenidos por los restantes grupos de trabajo, de las medidas obtenidas con la regla sin división. Tabla 1.3. Medidas realizadas con la regla sin divisiones GRUPO 1 2 3 4 Longitud(m) Tabla 1.4. Medidas realizadas con la regla de 10 divisiones GRUPO 1 2 3 4 Longitud(m) Tabla 1.5. Medidas realizadas con la regla de 1000 divisiones GRUPO 1 2 3 4 Longitud(m) 7. CALCULANDO LOS ERRORES COMETIDOS. 7.1REGLA SIN DIVISIONES (Tabla 1.3): a) Determinando el valor promedio de la longitud, LL̅ L̅ = L1+L2+L3+L4 4 L̅ = m b) Determinando las desviaciones, di di = Li − L ̅ d1 = L1 − L ̅ = m d2 = L2 − L ̅ = m d3 = L3 − LL ̅ = m d4 = L4 − L ̅ = m c) Determinando los errores absolutos E, Ei = /di / E1 = /d1 / = m E2 = /d2 / = m E3 = /d3 / = m E4 = /d4 / = m d) Determinando el error absoluto promedio, = E1+E2+E3+E4𝐸 𝐸 4 = m𝐸 e) Determinando el error relativo, e e = / L̅𝐸 e = f) Determinando el error porcentual,%e, %e = e x100 %e = g) Escribiendo el resultado final. El resultado final se puede escribir de tres maneras, en función de cualquiera de los tres errores antes mencionados: L = L̅ ± m L = ± m, resultado con el error absoluto promedio.𝐸 L = L̅ ± e L = m ± , resultado con el error relativo. L = L̅ ± %e L = m ± %, resultado con el error porcentual. h) Margen de seguridad. El margen de seguridad nos indica los límites entre los cuales sigue siendo válido el valor obtenido en la medición. El margen de seguridad posee un límite inferior y un límite superior. Para obtener el límite inferior, restamos el error absoluto promedio del valor promedio: Linf = L ̅ − = m𝐸 Para obtener el límite superior sumamos el error absoluto promedio del valor promedio. Lsup = L ̅ + = m𝐸 El margen de seguridad estará compuesto por todos los valores que se encuentren entre el límite inferior y superior: Linf < Margen de seguridad < Lsup _______< Margen de seguridad < 7.2 REGLA CON 10 DIVISIONES (Tabla 1.4): a) Determinando el valor promedio de la longitud, LL̅ L̅ = L1+L2+L3+L4 4 L̅ = m b) Determinando las desviaciones, di di = Li − L ̅ d1 = L1 − L ̅ = m d2 = L2 − L ̅ = m d3 = L3 − LL ̅ = m d4 = L4 − L ̅ = m c) Determinando los errores absolutos E, Ei = /di / E1 = /d1 / = m E2 = /d2 / = m E3 = /d3 / = m E4 = /d4 / = m d) Determinando el error absoluto promedio, = E1+E2+E3+E4𝐸 𝐸 4 = m𝐸 e) Determinando el error relativo, e e = / L̅𝐸 e = f) Determinando el error porcentual,%e, %e = e x100 %e = g) Escribiendo el resultado final. El resultado final se puede escribir de tres maneras, en función de cualquiera de los tres errores antes mencionados: L = L̅ ± m L = ± m, resultado con el error absoluto promedio.𝐸 L = L̅ ± e L = m ± , resultado con el error relativo. L = L̅ ± %e L = m ± %, resultado con el error porcentual. h) Margen de seguridad. El margen de seguridad nos indica los límites entre los cuales sigue siendo válido el valor obtenido en la medición. El margen de seguridad posee un límite inferior y un límite superior. Para obtener el límite inferior, restamos el error absoluto promedio del valor promedio: Linf = L ̅ − = m𝐸 Para obtener el límite superior sumamos el error absoluto promedio del valor promedio. Lsup = L ̅ + = m𝐸 El margen de seguridad estará compuesto por todos los valores que se encuentren entre el límite inferior y superior: Linf < Margen de seguridad < Lsup _______< Margen de seguridad < 7.3 REGLA CON 100 DIVISIONES (Tabla 1.5): a) Determinando el valor promedio de la longitud, LL̅ L̅ = L1+L2+L3+L4 4 L̅ = m b) Determinando las desviaciones, di di = Li − L ̅ d1 = L1 − L ̅ = m d2 = L2 − L ̅ = m d3 = L3 − LL ̅ = m d4 = L4 − L ̅ = m c) Determinando los errores absolutos E, Ei = /di / E1 = /d1 / = m E2 = /d2 / = m E3 = /d3 / = m E4 = /d4 / = m d) Determinando el error absoluto promedio, = E1+E2+E3+E4𝐸 𝐸 4 = m𝐸 e) Determinando el error relativo, e e = / L̅𝐸 e = f) Determinando el error porcentual,%e, %e = e x100 %e = g) Escribiendo el resultado final.El resultado final se puede escribir de tres maneras, en función de cualquiera de los tres errores antes mencionados: L = L̅ ± m L = ± m, resultado con el error absoluto promedio.𝐸 L = L̅ ± e L = m ± , resultado con el error relativo. L = L̅ ± %e L = m ± %, resultado con el error porcentual. h) Margen de seguridad. El margen de seguridad nos indica los límites entre los cuales sigue siendo válido el valor obtenido en la medición. El margen de seguridad posee un límite inferior y un límite superior. Para obtener el límite inferior, restamos el error absoluto promedio del valor promedio: Linf = L ̅ − = m𝐸 Para obtener el límite superior sumamos el error absoluto promedio del valor promedio. Lsup = L ̅ + = m𝐸 El margen de seguridad estará compuesto por todos los valores que se encuentren entre el límite inferior y superior: Linf < Margen de seguridad < Lsup _______< Margen de seguridad < CONTROL FINAL 1. Escriba su conclusión de esta práctica. 2. La masa de la tierra es de alrededor de 5.98x1024 kg. ¿Considera usted que esta es una medida directa? Explique brevemente como considera usted que se debe realizar esta medición. 3. La célula humana tiene un diámetro de alrededor de 10 x 10-6 m. ¿Considera usted que esta es una medición directa? Explique brevemente como considera usted que se deber realizar esta medición. 4. ¿Puede una persona obtener una medida de 2?25 m con una regla de 1m sin divisiones? Explique. 5. Entre el error absoluto y el relativo, ¿Cuál representa la precisión de la medición? Explique. 6. ¿Cuál de las siguientes medidas es más precisa? a) L = 5.42 m ± 0.21 m b) L = 22.36 m ± 0.21 m c) L = 2.33 m ± 0.12 m 7. En la época medieval se usaba el pie del Rey de turno como medida de longitud. Explique por qué no era confiable este patrón de medición. 8. Realice las siguientes operaciones tomando en cuenta las cifras significativas: a) L = 2.225 m + 1.17 m b) 5.84 m x 6.1 m c) 324 m / 2.44 s 9. Diga las cifras significativas que tienen las siguientes cantidades: a) 2.2247 m b) 0.10004 g c) 4125.00 s d) 45780 km e) 5.42 x108 m f) 120.20 10. En una medición del ancho de un salón, un estudiante realizó las siguientes mediciones. Encuentre el error porcentual, exprese el resultado final y el margen de seguridad. Tabla 1.6. 1 2 3 4 X(m) 9.32 9.45 9.28 9.36 11. Investigue cual es el patrón de longitud utilizado modernamente. 12. Investigue cual es el patrón de tiempo utilizado modernamente. 13. En proceso de medición de una longitud se obtuvo un error porcentual de 2.2%. Si el valor promedio de la medición es de 14.16 m, determine el error absoluto. 14. Investigue sobre el concepto de Antropometría. EXPERIMENTO 3-4 FUNCIONES Y GRÁFICOS EXPERIMENTO 3-4 FUNCIONES Y GRÁFICOS OBJETIVOS: A. Entender el concepto de función matemática. B. Establecer los parámetros que definen una función. C. Aprender las diferentes formas en que se describe una función. D. Aprender a realizar un gráfico, dada una función. E. Aprender a construir un gráfico dado una tabla de valores. F. Estudiar las características de una función lineal. G. Estudiar las características de una función inversa. H. Estudiar las características de una función cuadrática. I. Estudiar los errores más comunes que se cometen al construir un gráfico. EQUIPOS REQUERIDOS: ● Arandelas o cilindros circulares de diferentes diámetros. ● Hojas de papel milimétrico. ● Regla métrica de 30 cm. ● Calculadora. CONTROL INICIAL Antes del estudiante comenzar este experimento, debe leerlo y llenar las siguientes preguntas: 1. ¿Qué es una función matemática? 2. ¿Cuáles son los elementos principales de una función? 3. ¿Cuántas formas existen de representar una función? 4. ¿Qué es una función lineal? 5. ¿Qué es una función inversa? 6. ¿Qué es una función cuadrática? 7. Cuando la gráfica de dos variables resulta una línea recta que parte del origen, ¿qué tipo de relación tienen las variables y a qué tipo de función pertenecen? 8. Cuando la gráfica de dos variables resulta una recta que no pasa por el origen, ¿qué tipo de relación tienen las variables y a qué tipo de función pertenecen? 9. ¿En qué consiste linealizar un gráfico? 10. Cuando dos variables a y b son directamente proporcionales con el cuadrado, ¿qué forma tiene el grafico a =f(b)? ¿Cómo hacemos para linealizar este gráfico? INTRODUCCIÓN Función Matemática: Una función, en matemáticas, es el término usado para indicar la relación o correspondencia entre dos o más cantidades. Casi en todos los fenómenos de la naturaleza se observa que una cantidad depende de otra. Por ejemplo, la estatura depende de la edad, el número de bacterias en un cultivo es una función del tiempo, el peso de un astronauta es una función de su elevación. En medicina todos los eventos periódicos tales como contracciones cardiacas, respiración temblores, etc., pueden ser representadas por funciones. Existen cuatro formas de representar una función: 1. Verbal (mediante una descripción de palabras). 2. Algebraica (mediante una fórmula explicita). 3. Visual (mediante una gráfica). 4. Numérica (mediante una tabla de valores). Podríamos encontrar funciones expresadas en cualquiera de las cuatro formas mencionadas, sin embargo, la representación gráfica es la más ilustrativa da todas pues es mucho más fácil de entender que las demás. Una función matemática (excepto la función constante) debe constar de por lo menos tres elementos: una variable dependiente, una variable independiente y una constante. Pudiera haber más de una constante y más de una variable independiente. Pendiente de una gráfica: es representada con la letra m y se definida como el cambio o diferencia en el eje Y dividido por el respectivo cambio en el eje X, entre dos puntos de la recta 𝑚 = 𝑦2−𝑦1 𝗑2−𝗑1 ec. 3.1. Variación Lineal. Una función de la forma y = mx + b, ec. 3.2 es función lineal, y decimos que las variables y y x guardan una relación de variación lineal, donde: y = f(x) =variable dependiente (depende de los valores de x). Generalmente la variable dependiente se grafica en el eje vertical. x = variable independiente. Generalmente la variable independiente se grafica en el eje horizontal. m = constante de proporcionalidad o pendiente b = constante aditiva. Nota: usualmente a la variable dependiente se le llama “y” y a la variable independiente “x”. Sin embargo, estas pueden ser nombradas con cualquier letra según sea el caso. Si m y b son diferentes de cero, entonces a la función lineal se le da en nombre de variación lineal. El gráfico de esta función siempre será una recta que no pasa por el origen. y = 2x + 3 variación lineal ec. 3.3. Proporcionalidad directa. Cuando los valores de la variable dependiente aumentan o disminuyen en la misma proporción que los valores de la variable independiente. El gráfico de esta función siempre será una recta que pasa por el origen. y = mx proporcionalidad directa ec. 3.4. Función constante. Esta función se caracteriza porque los valores de la variable dependiente no cambian cuando cambian los valores de la variable independiente. El gráfico siempre será una línea recta horizontal. Un ejemplo de esta función es la siguiente ecuación: y = b, ec. 3.5. siendo b una constante, por ejemplo 3, y = 3 función constante Las siguientes figuras ilustran los casos mencionados: y y y Variación lineal (Pendiente +) x x x (Pendiente -) Fig. 3.1a Fig. 3.1b Fig. 3.1c Función cuadrática. Proporcionalidad directa con el cuadrado. Una función es cuadrática cuando es proporcional al cuadrado de los valores de la variable independiente. A esta condición también se la llama proporcionalidad directa con el cuadrado. La ecuación de una función cuadrática es del siguiente tipo: y = kx2 ec.3.5. En este caso Y y X tienen una relación directamente proporcional con el cuadrado. Al graficar Y = f(X) el resultado es una parábola. x Fig. 3.4. Función inversa. Proporcionalidad inversa. Una función de dos variables inversamenteproporcionales es aquella donde se cumple que cuando una variable aumenta, la otra disminuye en la misma proporción, o viceversa. Al graficar y = f(x) el resultado es una hipérbola. y x Fig. 3.5. La ecuación de una función inversa es del siguiente tipo: xy = k ec.3.6 Errores más comunes en la confección de gráficos. En la confección de un gráfico se pueden cometer dos tipos de errores: errores de forma y errores de contenido. Aquí mencionaremos los que se han observado con más frecuencia 1- De forma: a) No uso de la identificación. b) No aparición de título o títulos extremadamente extensos. c) Títulos que no responden a las preguntas básicas. d) Gráficos muy cargados y/o sumamente complejos de interpretar. e) Desproporción notable entre las longitudes de los ejes. f) Omisión de los rótulos de los ejes y/o las unidades de medida. 2- De contenido: a) Uso de gráficos inadecuados dada la naturaleza de lo que se representa. b) Omisión de la leyenda donde se han usado claves o símbolos. c) No respetar alguna de las reglas establecidas para la construcción del gráfico en particular. d) Por ejemplo, barras unidas cuando se trabaja con variable cualitativa o discreta. Interpolación: Este proceso consiste básicamente en encontrar valores desconocidos dentro de valores conocidos. Para ello primero se construye el gráfico con los valores conocidos y luego gráficamente interceptamos en nuestro gráfico el valor desconocido. Extrapolación: en este caso el proceso consiste en encontrar valores fueras de los valores conocidos. PROCEDIMIENTO A. APRENDIENDO A GRAFICAR. 1. Para realizar un gráfico lo primero que debemos tener a mano es una tabla de valores o una ecuación. 2. Lo siguiente es tener es un espacio donde graficar, en nuestro caso contamos con las hojas milimétricas que aparecen al final de esta práctica. Paso seguido, debemos buscar la manera de colocar los valores de la tabla en el gráfico de la manera más adecuada. 3. Se tienen dos conjuntos de valores. Si se nos pide que grafiquemos m=f(v), m representa la variable dependiente y por ende se ubica en el eje vertical, en tanto que los valores de v se colocarán en el eje horizontal. Nuestros ejes “x” y “y” serán los bordes inferior e izquierdo de nuestra hoja milimétrica, y el origen la esquina inferior izquierda, por lo que no es necesario rayar la hoja dibujando ejes. 4. Busquemos ahora una escala conveniente para colocar los valores. Un método sencillo y eficiente para obtener una escala conveniente es dividir el máximo valor a graficar entre el número de espacios disponibles. El resultado nos da una idea bastante cercana de la escala a escoger. Si resulta un número entero (sin decimales), pues simplemente escogemos este número como la escala del eje considerado. Si el resultado de la división resultase un número con parte decimal, puede que el mismo no sea conveniente como escala. En este caso, el valor obtenido se multiplica por 2. Nuestra escala será el número que consideremos más adecuado entre esos dos extremos. Por ejemplo, si el mayor número es 30 y se va a graficar en el eje vertical, dividimos este valor entre 24 espacios disponibles en el eje vertical: 30/24 = 1.25 1.25x2 = 2.5 Nuestra escala es el número más conveniente entre 1.25 y 2.5, entre los cuales se encuentra el número 2. Mientras más cercana del número menor (en este caso el 1.25), más grande saldrá el gráfico. 5. Con los datos de la tabla 3.1, construya el gráfico m = f(V) Tabla 3.1. Masa(gr) 6 12 18 30 48 Volumen(cm3) 2 4 6 10 16 B. GRÁFICA DE DOS MAGNITUDES DIRECTAMENTE PROPORCIONALES. Están relacionadas de tal forma que al aumentar o disminuir una de ellas, la otra registra aumentos o disminuciones en la misma proporción. Lo anterior se formula de la siguiente manera: x α t Introduciendo una constante de proporcionalidad v obtenemos: x = v. t v = (constante de proporcionalidad) = x . Supongamos que v = 6 m/seg, t entonces x = 6t. Con esta última ecuación obtenemos una tabla de valores para la variable x, asignándole previamente valores a la variable independiente, que en este caso es el tiempo, digamos t(s) = 0, 1, 4, 6, 10, 12, 15, etc. 6. Empleando la ecuación x(m) = 10t, complete la tabla 3.2. 7. Grafique x = f (t). Utilice una hoja milimétrica. Tabla 3.2. x (m) t (seg.) 0 1 4 6 10 12 15 8. Observando la forma del gráfico, ¿Qué relación existe entre las variables x y t? 9. Determine la constante de proporcionalidad 10. Encuentre la pendiente del gráfico. 11. Compare los resultados obtenidos en los puntos 10 y 11. ¿Qué relación tienen? 12. Interpole el valor de x para t = 9 s. C. GRÁFICA DE UNA VARIACIÓN LINEAL. 13. Si la ecuación fuera x(m) = 5 + 6 t. podemos llenar una tabla de forma similar a como lo hicimos anteriormente. Empleando los mismos valores del tiempo, complete la tabla 3.3. Graficar en una hoja milimétrica x = f (t), Tabla 3.3. x (m) t (seg) 0 1 4 6 10 12 15 14. Observando la forma del gráfico, ¿Qué relación existe entre las variables x y t? 15. Encuentre la pendiente y compárela con el coeficiente que acompaña a t. 16. Interpole el valor de x para t = 13 s. 17. Si la ecuación es ahora x(m) = 5 - 6 t, llenar la tabla 3.4. Tabla 3.4. x (m) t (seg) 0 1 4 6 10 12 15 Graficar x = f (t) Nota: tenga en cuenta que en esta ocasión hay valores negativos en el eje vertical, por lo cual el origen no puede estar en el borde inferior de la hoja. Consulte a su profesor antes de comenzar a construir el gráfico. 18. Interpole el valor de x para t = 2.3 s D. MAGNITUDES INVERSAMENTE PROPORCIONALES: A veces, a medida que una magnitud aumenta, la otra disminuye, siguiendo cierta proporción. Como el caso de un gas confinado en un recipiente en forma de pistón que es sometido a presión, debido al peso de una masa que se coloca sobre un embolo en un cilindro. La figura que sigue ilustra lo anteriormente expuesto. Fig.3.6. Si se aumenta la masa M, que descansa sobre la tapa del pistón, digamos al doble, aumentará con esto el peso por lo que la presión ejercida sobre el gas será mayor disminuyendo su volumen hasta V2. Al aumentar la presión disminuye el volumen. Como ejemplo de esto, tomemos la ecuación empleada para gases, en la que se relacionan presión, volumen, temperatura, etc. V = RT donde V = Volumen P = Presión P Donde RT = constante = 2000 (Dinas) (cm) (para un gas en particular), con lo cual, al sustituir en la expresión anterior, resulta: Ecuación en la cual asignamos valores V= 2000 a P para obtener los correspondientes V(cm3) P(Dinas /cm2) 150 75 30 15 7.5 1/P (X 10-4) (cm2/Dina) P valores de V. Tabla 3.5. 19. En una hoja milimétrica, graficar: a) V = f (P) b) V = f ( 1 ) P Nota: expresar todos los valores de 1/P de tal manera que queden X 10-4 para mejor manejo al graficar. 20. ¿Qué forma tiene el gráfico V = f (P)? 21. ¿Qué forma tiene el gráfico V = f ( 1 )? P 22. Determine la constante de proporcionalidad. 23. ¿Qué les ocurren a los valores de P cuando los de V aumentan? 24. Interpole el valor de V para P = 100 Dinas/cm2. E. PROPORCIONALIDAD DIRECTA CON EL CUADRADO. A veces en una relación matemática hay exponentes mayores que la unidad en una de las variables. Ejemplo: I = Potencia = Intensidad (Watts/m2) Área Se trata de la intensidad de una fuente sonora cuya señal medimos a una distancia r de dicha fuente. Si se involucra el área de una esfera, que tiene dependencia con el cuadrado del radio de la misma a través de la expresión A = 4πr2, entonces la variable r o radio está elevada a la potencia 2. La intensidad será: I = P 4πr 2 . Por lo que I α P se lee: r 2 “La intensidad es directamente proporcional a la potencia e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r “. Como ejemplo suponga usted que P = 1000Watts. 25. Dar valores a r = 2, 4, 6, 10, 15metros, para obtener valores de I empleando la ecuación I = 4000 4πr 2 r(m) 1 2 3 4 5 r2(m2) I(W/m2) 26. Graficar: a) I = f (r) b) I = f (r2) Tabla. 3.6 27. Comente la forma de los gráficos obtenidosen el punto 26. 28. Interpole el valor de I para r = 3.5 m F. MEDIDAS EN EL LABORATORIO 29. En el laboratorio tomamos 5 objetos circulares de diferentes diámetros y los ordenamos de forma ascendente. Fig.3.7 d = diámetro (cm) 30. Llenamos una tabla como la siguiente: (emplear dos cifras decimales). r = radio (cm) = d A = área = πr2 (cm2) 2 Tabla 3.7. Figuras 1 2 3 4 5 d (cm) 0 cm) r ( 0 r2 (cm2) 0 A (cm2) 0 31. Graficar: a) A = f (r) b) A = f (r2) 32. Diga cómo se obtuvo una línea recta en este caso. 33. Una pequeña esfera metálica se ata a una cuerda ligera inextensible que se sujeta al techo de un salón de clases la esfera queda oscilando cada oscilación completa se denomina período T y la expresión correspondiente es T = 2π 𝐿 g L = longitud de la cuerda en metros, g = 9.8 m/seg2 (valor de la gravedad). Complete la tabla empleando la ecuación dada en el párrafo anterior: Tabl a 3.8. T (seg) L (m) 5 8 10 12 34. Graficar: T = f (L) donde CONTROL FINAL. 1. Escriba su conclusión de esta práctica. 2. Realice un gráfico del número de horas dedicadas a estudiar física en función de los días de la semana, No. Horas = f (días de la semana) 3. Investigue y construya un gráfico de los casos de dengue en República Dominicana en función de los años. Tome los últimos 10 años como referencia, casos = f (años). De acuerdo con los resultados diga si la tendencia es a que el problema mejore o se agrave. 4. De acuerdo con los datos del sector salud de la República Dominicana, los nacimientos por años, desde el 2001 hasta el 2008, se han comportados como se indica en la siguiente tabla: Tabla 3.9. Año 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Nacimientos 114,664 149,481 132,656 122,676 131,682 121,266 124,228 123,584 Con la tabla anterior construya un gráfico de los nacimientos en función de los años. Interpole los nacimientos producidos a mitad del año 2003. A partir de los resultados del gráfico, dé su opinión si la tendencia de los nacimientos es aumentar o disminuir. 5. Investigue los precios de la gasolina Premium en R.D, en las últimas 5 semanas y construya un gráfico del precio en función de la semana, precio =f (semana) 6. Investigue y construya un gráfico de los casos de SIDA en R. D en función de los años. Tome como referencia los últimos 5 años. De acuerdo con los resultados diga si el problema tiende a mejorar o a agravarse EXPERIMENTO 5 MOVIMIENTO EN LÍNEA RECTA EXPERIMENTO 5 MOVIMIENTO EN LÍNEA RECTA OBJETIVOS A. Establecer la relación entre la posición y la velocidad de un cuerpo en movimiento. B. Calcular la velocidad como el cambio de posición en un intervalo de tiempo. C. Obtener la gráfica de posición contra tiempo de un estudiante en movimiento, usando un sensor de posición D. Utilizar el programa “Data Studio” para identificar diferentes movimientos a partir de su gráfica, y deducir la velocidad del móvil en cada caso. E. Explicar que la descripción de cualquier movimiento requiere un marco de referencia. F. Establecer los parámetros que intervienen en el movimiento de Caída Libre. G. Establecer las características del movimiento de Caída Libre. H. Investigar la influencia de las formas de los cuerpos en el movimiento de Caída Libre. I. Investigar la influencia del aire en el movimiento de Caída Libre. EQUIPOS REQUERIDOS: ● Sistema computarizado y programa “Data Studio”. ● Sensor de movimiento. ● Interfase Pasco 750. ● Soporte con varilla de 45 centímetros de longitud. ● Parrilla de protección del sensor de movimiento. CONTROL INICIAL Antes de iniciar este experimento, el estudiante debe leerlo y responder las siguientes preguntas: 1. ¿Qué es la cinemática? 2. ¿A qué rama de la Física pertenece la Cinemática? 3. ¿Qué es el desplazamiento? 4. ¿Cómo se obtiene la rapidez promedio de un cuerpo? 5. ¿Cómo se llama el programa de computadora que vamos a utilizar en esta práctica? 6. ¿Cuáles son los parámetros que intervienen de forma directa en el movimiento de caída libre? 7. ¿Es el movimiento de caída libre un movimiento acelerado? Explique. INTRODUCCIÓN Cinemática: estudia el movimiento de los cuerpos sin atender a las causas que lo producen. Cuando hablamos de movimiento nos referimos al cambio en la posición de un cuerpo con respecto a otros cuerpos, o con respecto a un punto fijo de referencia. Vector de desplazamiento r: define la dirección y magnitud del cambio en la posición de un cuerpo. Matemáticamente, el desplazamiento se escribe como: r = xf − xi = ∆x ec.5.1 Donde: xf es la posición final, xi la inicial. r es la magnitud del desplazamiento. Distancia d: longitud de la trayectoria recorrida por un cuerpo. La distancia es una magnitud escalar. La unidad de distancia y la de desplazamiento es igual y, en el Sistema Internacional (SI), es el metro, abreviado m. Rapidez promedio: de un cuerpo se define como la distancia total recorrida por él, a la cual representaremos con d, dividida entre el tiempo total del recorrido, t. Matemáticamente se representa: Rapidez = d ∆t e c . 5 . 2 La rapidez promedio es una magnitud escalar. Velocidad promedio Vp: es un vector y se define como el desplazamiento dividido entre el intervalo de tiempo transcurrido durante el movimiento. V = r ∆t e c . 5 . 3 Velocidad Instantánea Vinst: se define como la velocidad obtenida en un intervalo de tiempo tan pequeño, que tiende a cero: V inst = ∆r ∆t�0 e c . 5 . 4 Rapidez Instantánea: se le llama así al módulo de la velocidad instantánea: Rapidezinst = |Vinst| ec. 5.5 En esta práctica vamos a estudiar con el movimiento de una persona al caminar, analizando los diferentes parámetros cinemáticos, y los gráficos generados utilizando un sensor de movimiento. Este sensor, junto con el programa de computadora “Data Studio”, producirá en la pantalla del monitor las gráficas del movimiento de un estudiante que viaja en línea recta a diversas velocidades. El estudiante debe moverse de manera tal que su gráfica pueda interpretarse con el modelo del movimiento rectilíneo y uniforme. Para describir el movimiento de un objeto, necesitamos un punto de referencia, la velocidad del móvil y su aceleración. Un dispositivo que permite obtener estas cantidades es el sensor de movimiento que usaremos en este experimento y que utiliza pulsos de ultrasonido que son reflejados por el móvil para determinar su posición. Mientras el objeto se mueve, el cambio en su posición se mide varias veces por segundo. Los cambios, para cada intervalo de tiempo, permiten calcular la velocidad en metros por segundo. Otro aspecto que vamos a tocar es el comportamiento de los cuerpos que caen libremente bajo la acción de la gravedad. En el vacío todos los cuerpos, sin importar el tamaño, la forma o la masa, deben caer recorriendo cambios de velocidades iguales en intervalo de tiempos iguales. Sin embargo, la realidad es que la influencia del aire en este movimiento es determinante. Si tomamos un pedazo de papel y lo dejamos caer, veremos que caerá balanceándose, debido a la resistencia que el aire le hace. Por otro lado, si arrugamos el mismo papel, veremos que caerá de forma vertical y con mayor rapidez. En esta práctica estudiaremos algunos aspectos del movimiento de Caída Libre, tratando de diferenciar los aspectos ideales de los reales. PROCEDIMIENTO A. MOVIMIENTO DE UNA PERSONA AL CAMINAR. 1. Monte el sensor de movimiento sobre la mesa. Tenga especial cuidado colocando el ojo del sensor lo más horizontal posible y en la dirección donde se moverá el estudiante. De esto dependerá que la señal del sensor no se pierda. 2. Asegúrese de que se tiene un espacio mínimo de 4 metros para moverse frente al sensor de movimiento. 3. Conecte el terminal amarillo del sensor al canal 1 digital, y el negro al canal 2 digital de la Interface 750. 4. Asegúrese que todos los cables del sistema están conectados. Abra el programa “Data Studio”, selecciones “crear experimento”. Haga clic en la pestaña “añadir sensor o instrumento”.Elija el sensor de movimiento, ubicado en la lista de los sensores digitales de ScienceWorkshop. 5. En el programa “Data Studio” añada un gráfico y seleccione el de posición-tiempo. Fig. 5.1 6. Una vez esté configurado el experimento en la computadora, un estudiante debe ponerse de pie frente al sensor de movimiento, a unos 4 metros de distancia. Debe conseguir una plataforma ligera de cartón o madera de aproximadamente 0.25 m2 y ponerla en frente mientras camina, esto es para que la señal del sensor sea recogida con mayor facilidad. Otro estudiante pulsará la tecla de Inicio, para comenzar la toma de datos. 7. Camine hacia el sensor de forma natural hasta aproximadamente 0.5 m antes y de inmediato camine hacia atrás hasta la posición de inicio. Repita el ciclo otra vez, luego darle al botón de “Detener”. Un gráfico como el observado en la fig. 5.2. debe haberse generado. 8. Grábelo yendo a “archivo” y haciendo clic en “guardar archivo actividad como”. Póngale el nombre “mov1” y guárdelo en el escritorio (desktop). Fig. 5.2 9. Seleccione el tramo de la gráfica que desee estudiar, tal como lo ilustra la fig. 5.3. Fig. 5.3. 10. Haga seleccione el botón de “Herramienta inteligente” y le aparecerá un punto de coordenadas (x,y). Arrastre el punto coordenado hasta la parte inferior del gráfico (observe la fig. 5.4). El primer valor del punto representa el tiempo y el segundo representa la posición x. Registre estos valores como ti y xi en la tabla 5.1. Fig. 5.4. Tabla 5.1. Posición (m) Tiempo (s) Desplazamiento(m) r = xf -xi Intervalo(s) Δt = tf - ti Vm(m/s) Vc(m/s) xi xf ti tf 1 2 3 4 5 11. Arrastre ahora el punto coordenado hasta la parte superior del tramo del gráfico. Observe los valores del tiempo y la posición obtenidos y regístrelo en la tabla como tf y xf. 12. Ahora haga clic en la barra “Herramienta de pendiente”. Una recta sobre el gráfico debe aparecer. Mueva con el cursor la recta hasta que coincida lo más que se pueda con el tramo elegido (observe la fig. 5.5). Observe el valor de la pendiente, este representa la velocidad promedio obtenida a partir del programa. Registre este valor en la tabla 5.1, en la columna de velocidad medida (Vm). 13. Con los datos de la tabla 5.1 y la ecuación 5.3, calcule la velocidad promedio calculada y registre su resultado en la columna de velocidad calculada (Vc): Fig. 5.5. 14. Cierre el presente gráfico yendo a “archivo” y dándole a cerrar. Luego abra un nuevo documento y nómbrelo con “mov2” en el escritorio. 15. Con estudiantes diferentes, repita 4 veces más los pasos del 7 al 13. B. INFLUENCIA DEL AIRE EN EL MOVIMIENTO DE CAÍDA LIBRE. 16. Tome una hoja de papel y arrúgala hasta formar una pelota. 17. Tome un cuaderno o un libro y la hoja de papel. Mida la masa de cada uno. Mlibro= Mpapel= 18. Déjelos caer al mismo tiempo desde la misma altura. Si es necesario repita este proceso varias veces. Fig. 5.6 ¿Cuál pesa más? ¿Cuál llega primero? 19. Ahora desarrugue la hoja de papel, colóquelo al lado del libro, y de nuevo déjelos caer juntos desde la misma altura. ¿Cuál llega primero? ¿Tiene la forma de los objetos alguna influencia en el movimiento de caída libre? Explique. 20. Coloque el papel desarrugado encima del libro y déjelos caer juntos. ¿Cuál llega primero? Explique. C. ESTUDIANDO EL MOVIMIENTO DE CAÍDA LIBRE. 21. Tome el sensor de distancia y colóquelo en el piso con el lector apuntando verticalmente hacia arriba (use un nivel). Cubra el sensor con la parrilla protectora (Observe en la figura 5.7). Fig. 5.7 22. Conecte el sensor al Data Studio para registrar las posiciones en función del tiempo tal como lo hicimos en el procedimiento A. 23. Inicie el programa y luego suelte la pelota (observe la fig. 5.7). Repita varias veces. El gráfico del movimiento de la pelota debe quedar registrado. 24. Seleccione el tramo donde se produjo el movimiento de caída (elimine los tramos antes y después de la caída) ¿A qué tipo de movimiento se asemeja más este gráfico? (observe la fig. 5.8) Fig. 5.8. 25. Vaya a la barra de ajuste y seleccione la opción “Ajuste cuadrático”. Debe aparecer una curva parabólica como la observada en la fig. 5.9. Esto es debido a que el gráfico posición-tiempo en el movimiento de caída libre está representada por una parábola Fig. 5.9. CONTROL FINAL 1. Escriba su conclusión de esta práctica. 2. La velocidad promedio de un ser humano al caminar es de aproximadamente 5 km/h (1.4 m/s). a) Determine el promedio de los valores de las velocidades promedios obtenidas con el Data Studio, en la tabla 1. ¿Se corresponde este resultado con lo esperado? b) Determine la distancia recorrida por la persona. c) Determine la rapidez promedio de la persona. d) Determine la magnitud de la velocidad promedio. 3. Un avión vuela 40 km directamente hacia el sur en 10 min y 20 km directamente hacia el este en 5 min, su rapidez promedio es: 4. Una persona camina 100 m hacia el este en 20 s y luego 160 m hacia el oeste, en otros 20 s, su desplazamiento es: 5. Un auto de carreras hace un viaje de 80 km con una rapidez promedio de 160 km/h . El tiempo del viaje fue de: 6. Investigue el concepto de velocidad terminal. 7. ¿Por qué en la realidad todos los cuerpos no caen al mismo tiempo, aun lanzándolos desde una misma altura? 8. ¿Tienen la forma de los cuerpos alguna influencia en el movimiento de caída libre? 9. Se deja caer libremente un objeto desde una altura de 2 m. Determine el tiempo en que el objeto llega al suelo. 10. Se deja caer un objeto desde cierta altura. Si el cuerpo tarda 3.5 s en llegar al suelo, determine la altura desde la cual cayó. EXPERIMENTO 6 VELOCIDAD MEDIA E INSTANTÁNEA EXPERIMENTO 6 VELOCIDAD MEDIA E INSTANTÁNEA OBJETIVOS: A. Determinar la velocidad media. B. Obtener la velocidad instantánea a partir de la velocidad media. EQUIPOS REQUERIDOS: ● Foto sensor de tiempo con sus accesorios (ME-9215B). ● Pista de aire. ● Carrito. ● Cinta métrica. CONTROL INICIAL Antes de iniciar este experimento, el estudiante debe leerlo y llenar las siguientes preguntas: 1. ¿Qué es la Posición? 2. ¿Qué es la Distancia? 3. ¿Qué es la Velocidad media o promedio? 4. ¿A qué se le llama Velocidad instantánea? 5. ¿A qué se le llama rapidez? INTRODUCCIÓN Cinemática: estudia el movimiento de los cuerpos sin atender a las causas que lo producen. Movimiento: es el cambio en la posición de un cuerpo con respecto a otros cuerpos, o con respecto a un punto fijo de referencia. Recordando algunos conceptos de la práctica anterior: Rapidez promedio: de un cuerpo se define como la distancia total recorrida por él, a la cual representaremos con d, dividida entre el tiempo total del recorrido, t. Matemáticamente se representa: Rapidez = d ∆t e c . 5 . 2 La rapidez promedio es una magnitud escalar. Velocidad promedio Vp: es un vector y se define como el desplazamiento dividido entre el intervalo de tiempo transcurrido durante el movimiento. V = r ∆t e c . 5 . 3 Velocidad Instantánea Vinst: se define como la velocidad obtenida en un intervalo de tiempo tan pequeño, que tiende a cero: V inst = ∆r ∆t→0 e c . 5 . 4 Rapidez Instantánea, se le llama así al módulo de la velocidad instantánea: Rapidezinst = |Vinst| ec. 5.5 PROCEDIMIENTO: 1. Prepare la pista de aire como se observa en la fig.6.1. Incline hacia abajo el extremo final de la pista para crear un pequeño desnivel, de tal manera que, al soltar el carrito, con la pista encendida, este se desplace hacia abajo. Fig.6.1. 2. Seleccione un punto X1 donde la pista marca 70 cm. ¡CUIDADO! LA FUENTE DE LOS FOTO SENSORES A UTILIZAR (ME-9215B) ES DE 7.5 V. SI LE COLOCA UNA FUENTE DE MAYOR VOLTAJE SE DAÑARÁ INMEDIATAMENTE. ANTES DE REALIZAR LA CONEXIÓN ELÉCTRICA DEL FOTOSENSOR, REVISE SI SU FUENTE ES DEL VOLTAJE INDICADO. 3. Ubique el fotosensor 1 a 60 cm a la izquierda de X1 y el fotosensor 2 a 60 cm a la derecha de X1(observe la fig. 6.1). 4. . Registre la distancia entre los fotosensores como d en la tabla 6.1.5. Coloque el carrito en el extremo superior de la pista. 6. Prepare el equipo de fotosensores para la modalidad PULSE. 7. Presione el botón RESET. 8. Encienda la pista. El carrito empezará a moverse. El tiempo que le toma pasar a través de los dos fotosensores quedará registrado. Registre este resultado en la tabla 6.1. Tabla 6.1. d(m) t1(s) t2(s) t3(s) tprom(s) Vprom(m/s) 1.2 1.1 1.0 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 9. Repita los pasos 5, 6 y 7 para obtener tres valores del tiempo. Registre los resultados en la tabla 6.1. 10. Ahora repita los pasos del 4 al 9 reduciendo la distancia d entre los fotosensores, 10 cm por vez. Registre los resultados en la tabla 6.1. 11. Repita el paso 9 hasta obtener 8 valores de d. 12. Para cada valor de d calcule el tiempo promedio tprom. Registre los resultados en la tabla 6.1. 13. Calcule la velocidad promedio para cada d: Vprom= D/tprom 14. Construya los gráficos d = f(tprom), y Vprom = f(d) CONTROL FINAL 1. Escriba su conclusión de este experimento. 2. De todas las velocidades promedios obtenidas, ¿cuál cree usted que representa mejor la velocidad instantánea? ¿Por qué? 3. ¿Qué factores (precisión de cronometrado, tiempo de medición, liberación del objeto, tipo de movimiento) influye en los resultados? 4. A partir de los resultados del gráfico obtenido en el punto 14, ¿Qué se puede decir acerca de la relación de d y tprom? ¿Y con relación de d y Vprom? 5. Un ciclista recorre en línea recta un tramo de ruta con una velocidad media de 15m/s durante 25min y después con una velocidad media de 12m/s durante 13min. Determine: a) ¿Cuál es su desplazamiento total? b) ¿Cuál es su velocidad media durante toda la carrera? 10 6. En la figura 6.2 se muestra la gráfica del desplazamiento en función del tiempo para una partícula que se mueve a lo largo del eje x. Encuentre la velocidad media en los intervalos de tiempo: 0 a 5s, 0 a 10s, 10 a 15s, 20 a 25s y de 0 a 25s. 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 0 5 10 15 20 25 30 35 t (s) Fig. 6.2. EXPERIMENTO 7 MOVIMIENTO DE PROYECTILES TIRO AL BLANCO EXPERIMENTO 7 MOVIMIENTO DE PROYECTILES TIRO AL BLANCO OBJETIVOS: A. Obtener la velocidad inicial, dados el ángulo, la altura Y y el alcance X, logrado por el proyectil. B. Obtener teóricamente la altura Y de un blanco determinado, dados el ángulo ϴ y el alcance X. C. Con los valores del ángulo ϴ, la altura Y y el alcance X, establecidos en el objetivo B, disparar un proyectil al blanco preestablecido. EQUIPOS REQUERIDOS: ● Pistola de proyectil y pelota de plástico. ● Cinta métrica. ● Caja para producir elevación. ● Papel cuadriculado. ● Papel carbón. ● Papel blanco. ● Nivel de agua. CONTROL INICIAL Antes del estudiante iniciar este experimento, debe leerlo y responder las siguientes preguntas: 1. ¿A qué se le denomina el alcance de un proyectil? 2. ¿Cuál es la fórmula del alcance máximo de un proyectil? 3. ¿A qué se le llama tiempo de vuelo de un proyectil? 4. ¿Cuál es la ecuación que describe el tiempo de vuelo de un proyectil? 5. ¿Qué valor tiene la componente vertical de la velocidad cuando un proyectil alcanza su altura máxima? 6. ¿Cuál es la ecuación que describe el desplazamiento vertical en el movimiento de proyectiles? INTRODUCCIÓN Alcance: es la distancia horizontal x, entre la salida de la pistola y la pelota dónde la pelota cae. El alcance está dado por la siguiente ecuación: ec.7.1 Dónde: V0 es la velocidad inicial de la pelota al dejar la pistola, Ө es el ángulo de inclinación sobre horizontal, y t es el tiempo de vuelo. Vea figura 7.1. Fig. 7.1 Para el caso en que la pelota cae en un lugar que está en el mismo nivel de la pistola, el tiempo de vuelo de la pelota será dos veces el tiempo que toma la pelota en alcanzar la altura máxima de su trayectoria. En la altura máxima, la velocidad del vertical es igual a cero. Por consiguiente, el tiempo total de vuelo es: tt = (2 V0Sen ɵ) / g Ec. 7.2 Fig. 7.2 Para el caso en que la pelota se dispara con un ángulo desde una mesa hacia el suelo (Vea Figura 7.2.), el tiempo de vuelo que usa la ecuación para el movimiento vertical se encuentra con la siguiente ecuación: y = y0 + ( v0 sen Ө ) t – ½ g t2 Ec. 7.3 Donde y0 es la altura inicial mientras que y es la altura de la bola cuando toca el piso. Si despejamos t de la ecuación 7.1, y luego lo sustituimos en la ecuación 7.3, obtenemos el siguiente resultado: Ec. 7.4𝑦 = 𝑦 0 + 𝑥 tan 𝑡𝑎𝑛 θ − 𝑔 𝑥 2 2 𝑣 0 2𝑐𝑜𝑠2θ La ecuación 7.4 es llamada la ecuación de la parábola, y nos da la altura del proyectil, si conocemos el ángulo de disparo Ө, el alcance X y la velocidad inicial V0. PROCEDIMIENTO A. DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DE DISPARO. 1. Arme el sistema de tiro de proyectiles, sujetando la pistola al borde de la mesa con una mordaza (ver fig. 7.3). Asegúrese de que la dirección que saldrá el proyectil no hace peligrar ningún cristal y tratando de que la bola caiga encima de mesa. Fig. 7.3 2. Mida la distancia vertical desde la mesa hasta la salida de la pistola (Ver fig. 7.3). Registre esta información en la tabla 7.2 como y0. La altura final y es igual a cero. 3. Coloque la pistola para disparar horizontalmente (ángulo igual a cero). 4. Comprima la pistola hasta el segundo tope (medium). Coloque la pelota plástica de color amarillo dentro de la pistola. Dispare la pistola de tal manera que caiga sobre la mesa. 5. Ubique la zona donde cae la pelota y coloque allí una hoja de papel blanco, sujetándolo con cinta adhesiva. Coloque encima un pedazo de papel carbón boca abajo, fijándolo también con cinta adhesiva. 6. Prepare otra vez la pistola y dispárela. La pelota debe caer dentro de la zona donde se colocó el papel. De no ser así, rectifique la ubicación. 7. Repita un par de veces más el disparo. Luego quite el papel carbón, los puntos de impactos de la pelota deben ser visibles. Mida cuidadosamente la distancia horizontal desde la salida de la pistola hasta cada punto. Registre los resultados en la tabla 7.1 como los alcances X. Tabla 7.1. Disparo 1 2 3 Xprom X(m) 8. Determine el valor promedio de los alcances obtenidos. Registre su resultado en la tabla 7.1. 9. Utilizando la ecuación 7.4, determine el valor de la velocidad inicial V0 del proyectil. Utilice los datos registrados en las tablas 7.1 y 7.2. Registre su resultado en la tabla 7.2. Tabla 7.2 Xprom(m) y0(m) y(m) Ө(Grados) V0(m/s) 0 0 V0 = m/s Este será el valor de la velocidad inicial del proyectil, siempre se comprima hasta el segundo tope de la pistola. B. TIRO AL BLANCO. 10. Con la ecuación 7.4 determine teóricamente la altura y que alcanzaría la pelota para un ángulo de 300 con un alcance X = 0.60m. y = m 11. Prepare la pistola para un ángulo de 300. 12. Coloque la mesa pegada a la pizarra y mida 0.60 m horizontales desde la pizarra hasta la boca de la pistola (ver fig. 7.4)). Marque con un lápiz una línea horizontal (use el nivel) con la altura obtenida en el procedimiento 10. Fig. 7.4 13. Dispare la pelota hacia la pizarra, observando el punto donde choca. Repita de ser necesario. 14. ¿Difiere mucho esta ubicación de la obtenida a partir del cálculo realizado en el procedimiento? CONTROL FINAL 1. Escriba su conclusión de esta práctica. 2. ¿Si disparamos nuestro proyectil en la Luna, donde la gravedad es menor que en la Tierra, para la misma velocidad y ángulo, el alcance sería mayor o menor? Explique. 3. Investigue sobre la relación entre la ciencia Balística y el movimiento de proyectiles. 4. ¿Investiga de qué manera la resistencia del aire influye sobre el movimiento de un proyectil? 5. Investigue cual es la velocidad inicial de una pistola calibre 45. 6. Un proyectil se dispara con una velocidad inicial de 20 m/s. Si se dispara con un ángulo de 250 y dura 10 s para caer, determine el alcance X. 7. Un bombero a 50 metros de un edificio en llamas dirige un chorro de agua de una manguera a un ángulo de 300 sobre la horizontal. Si la velocidad inicial de la corriente de agua es40 m/seg, ¿a qué altura el agua incide en el edificio? 8. Un rifle se dirige horizontalmente al centro de un gran blanco a 200 metros de distancia. La velocidad inicial de la bala es 500 m/seg. ¿Dónde incide la bala en el blanco? EXPERIMENTO 8 FUERZAS EN EQUILIBRIO EXPERIMENTO 8 FUERZAS EN EQUILIBRIO OBJETIVOS A. Comprobar que las sumatorias de fuerzas que concurren a un punto son iguales a cero bajo condición de equilibrio traslacional. B. Corroborar que las fuerzas son vectores y se pueden descomponer en componentes rectangulares. EQUIPOS REQUERIDOS ● Mesa experimental de fuerzas. ● Poleas fijas. ● Pesas y Porta pesas. ● Anillo metálico. ● Nivel. ● Hilo Nylon. CONTROL INICIAL Antes de comenzar este experimento, el estudiante debe leerlo y llenar las siguientes preguntas: 1. ¿En qué se diferencia una cantidad escalar de una vectorial? 2. ¿Qué son los componentes rectangulares de un vector? 3. ¿Cómo se define el vector fuerza? 4. ¿Qué se entiende por fuerzas concurrentes? 5. ¿Qué establece la primera ley de Newton? INTRODUCCIÓN Fuerza: es toda acción física capaz de cambiar el estado de reposo o movimiento de los cuerpos. La fuerza es una cantidad vectorial porque tiene magnitud y dirección, contrario a las cantidades escalares que carecen de dirección. Equilibrio Traslacional: Es la condición de un cuerpo o sistema caracterizada porque la resultante de todas las fuerzas actuantes es igual a cero. El equilibrio traslacional puede ser estático, si el cuerpo se encuentra en reposo; o dinámico si el cuerpo se mueve con velocidad constante (sin aceleración). Lo dicho anteriormente queda expresado en la primera ley de Newton. Fuerzas concurrentes: aquellas que se aplican a un punto común. Cuando varias fuerzas concurren, estas pueden ser reemplazadas por una sola fuerza resultante, pero sí además el sistema está en equilibrio, dicha resultante será cero, este será el caso del sistema que se va a estudiar. Se debe recordar también que todo vector se puede descomponer, en sus componentes rectangulares, donde su proyección sobre los ejes de un sistema de coordenadas. Si el sistema de coordenadas es rectangular y consideramos el caso en un plano, se tiene que: F→ = ( F cos θ ) ˆi + ( F sen θ ) ˆj ec. 8.1. Además, si el sistema está en equilibrio traslacional ambas componentes deberán dar cero al realizar la sumatoria de las fuerzas, cumpliendo con la primera ley de Newton. y F Fy = FsenӨ x Fx = cosӨ Fig. 8.1 Sistema de fuerzas: es aquel conjunto de fuerzas que actúan simultáneamente sobre un cuerpo. Sistema de fuerzas coplanares: es aquel en donde todas las líneas de acción de las fuerzas se encuentran el mismo plano. Sistema de fuerzas no coplanares: es aquel en el que las líneas de acción de las fuerzas se localizan en planos distintos. Sistema de fuerzas colineales: es aquel en el que las fuerzas están sobre la misma línea de acción. Sistema de fuerzas paralelas: es aquel en el que todas las líneas de acción de las fuerzas son paralelas entre sí. Sistema de fuerzas concurrentes: es aquel en el que todas las líneas de acción de las fuerzas concurren o se cruzan en un punto. Sistema de fuerzas arbitrario: es aquel en el que no todas las líneas de acción de las fuerzas del sistema son concurrentes ni todas son paralelas entre sí. También se le conoce como sistema no concurrente, no paralelo. Resultante de un sistema de fuerzas: es aquella fuerza igual a la suma vectorial de las fuerzas de un sistema y su efecto sobre un cuerpo es igual al efecto que produce todo el sistema simultáneamente. PROCEDIMIENTO: 1. Utilice la mesa de vectores y, si es necesario, con la ayuda del nivel, colóquela horizontalmente. 2. Utilice tres masas diferentes y coloque cada una de ellas en cada soporte de la mesa de vectores. Las masas que utilizará son m1 = 100 g; m2 = 200 g; m3 = 250 g. No olvide agregar el peso del soporte, si lo considera necesario. 3. Coloque la masa de 100 g alineada con 00. Luego mueva las demás hasta lograr que el aro que las une no toque el eje central de la mesa de fuerzas. Fig. 8.2. 4. Asegúrese de que el hilo, que une el aro con los soportes, se pueda mover libremente. 5. Para determinar el punto de equilibrio de la mejor manera posible, es necesario que las masas no oscilen. El punto de equilibrio se encuentra cuando el aro está exactamente en el centro de la mesa de vectores. 6. Cuando esté seguro de que el aro no toca el eje central, mida con cuidado los ángulos a los que se encuentra cada fuerza y colóquelos en la tabla 8.1. 7. Determine los valores de Fx y Fy utilizando las siguientes fórmulas y regístrelos en la tabla 8.1. Fx = FcosӨ ec. 8.2 Fy = FsenӨ ec. 8.3 Tabla 8.1 M(Kg) F(N) Ө(0) Fx(N) Fy(N) 1 0.10 0 2 0.20 3 0.25 ∑Fx = ∑Fy = 8. Repita el procedimiento anterior utilizando ahora las masas con los valores m1 = 300 g; m2 = 200 g;m3 = 150 g. Mida con cuidado los ángulos y colóquelos en la tabla 8.2. Tabla 8.2 M(Kg) F(N) Ө (0) Fx(N) Fy(N) 1 0.30 0 2 0.20 3 0.15 ∑Fx = ∑Fy = 9. Repita el procedimiento anterior utilizando ahora las tres masas iguales con m = 300 g. Mida con cuidado los ángulos y colóquelos en la tabla 8.3. Tabla 8.3 M(Kg) F(N) Ө (0) Fx(N) Fy(N) 1 0.30 0 2 0.30 3 0.30 ∑Fx = ∑Fy = CONTROL FINAL 1. Escriba su conclusión sobre este experimento. 2. La sumatoria de las fuerzas, tanto en x como en y debió ser igual a cero, si no fue así, ¿a qué atribuye usted las causas? 3. ¿Cómo puede comprobar que la fuerza es un vector, con el procedimiento realizado? 4. ¿Qué condición garantiza que hay equilibrio traslacional? 5. ¿De qué otra manera sugiere se podría comprobar lo realizado en esta práctica? (sugiera modelos diferentes). 6. Se tiene una mesa de vectores con tres masas. La masa m1 es de 0.6122 kg y está ubicada en 00, la masa m2 = 0.3061 kg ubicada a 1240 , y m3 = 0.5102 kg a 2100. Investigue si este sistema está en equilibrio. Sugerencia: complete la tabla tal como lo hizo en el experimento. EXPERIMENTO 9 CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA CINÉTICA EXPERIMENTO 9 CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA CINÉTICA OBJETIVOS: A. Establecer los parámetros de los cuales depende la energía cinética. B. Determinar si nuestro sistema es conservativo o no. C. Determinar la Energía Cinética de un cuerpo en movimiento. D. Establecer las características que determinan un sistema no conservativo. EQUIPOS REQUERIDOS ● Sistemas de fotosensores de tiempo. ● Pista de aire. ● Carrito largo. ● Balanza. ● Cinta métrica. CONTROL INICIAL Antes de comenzar este experimento, el estudiante debe leerlo y responder las siguientes preguntas: 1. ¿Qué es la energía, y en qué unidades se mide? 2. ¿Cuáles son los cuerpos que poseen energía cinética? 3. ¿Cuál es la fórmula de la energía cinética? 4. ¿Qué establece el Principio de Conservación de la Energía para un sistema no conservativo? 5. ¿Es el sistema que usaremos en nuestra práctica un sistema conservativo? Explique. INTRODUCCIÓN Energía: es la capacidad para realizar un trabajo. La energía se mide en Joules. La energía cinética es la que tiene un cuerpo en virtud de su movimiento. Está definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa dada desde el reposo hasta la velocidad que posee. Una vez conseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambie su rapidez. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que su energía cinética. El principio de conservación de la Energía establece que, en un sistema conservativo, la energía total del sistema permanece constante. La fricción es un factor que hace que un sistema no sea conservativo. En nuestra práctica vamos a poner en movimiento un carrito sobre la pista de aire (la cual deberá estar colocada de forma horizontal), y mediremos las energías cinéticas del carrito en dos puntos diferentes de su trayectoria. Si el sistema carrito-pista de aire fuera conservativo, deberíamos obtener la misma energíacinéticas en ambos puntos de la trayectoria, pero debido a los efectos que produce la fricción sobre nuestro sistema, veremos que la energía cinética final será menor que la energía cinética inicial. PROCEDIMIENTO: 1. Prepare la pista de aire y el sistema de fotosensores de tiempo como se observa en la figura. Asegúrese de nivelar cuidadosamente la pista de aire para que quede lo más horizontal posible. Fig. 9.1 2. Mida la masa m del carrito que va a ser utilizado en el experimento. Registre el resultado en kg en la tabla 9.1. 3. Mida la longitud L del carrito. Registre el resultado en metros en la tabla 9.1. l 4. Coloque fotosensor 1 a 30 cm del extremo izquierdo de la pista y el fotosensor 2 separado 70 cm del fotosensor 1. 5. Prepare ambos fotosensores en la modalidad GATE. 6. Encienda la pista y coloque el carrito en el extremo inicial (mantenga el carrito agarrado), y presione el botón RESET de ambos fotosensores. 7. Imprímale un impulso inicial al carrito. El carrito pasará al través de ambos fotosensores quedando registrado el tiempo que tardó en pasar por cada uno. Tome los tiempos registrados por los fotosensores y colóquelos en la tabla 9.1. Fig. 9.1 M(kg) L(m) t1i (s) t1f (s) V1i(m/s) V1f (m/s) Eci(J) Ecf(J) ΔEC(J) t1i = tiempo en que el carrito pasa por el fotosensor 1 t1f = tiempo en que el carrito 1 pasa por el fotosensor 2 8. Repita los pasos anteriores, agregando al carrito en cada caso una masa adicional de 30 gr hasta completar la tabla. Registre sus resultados en la tabla 9.1. 9. Determine las velocidades iniciales y finales de los carritos. V1i = L/ t1i = V1f = L/ t1f = V2i = L/ t2i = V2f = L/ t2f = V3i = L/ t3i = V3f = L/ t3f = V4i = L/ t4i = V4f = L/ t4f = 10. Determine las energías cinéticas inicial y final del carrito. 11. 𝐸𝑐1i 𝑚𝑉 2 = 1i 2 𝐸 𝑐1ƒ 𝑚 𝑉 2 = 2 𝑚 𝑉2 2 𝑚 𝑉 2 𝐸 = 2 𝑚 𝑉2 2 𝑚 𝑉 2 𝐸 = 2 𝑚 𝑉2 2 𝑚 𝑉 2 𝐸 = 2 12. Obtenga la variación de la energía cinética ΔEc. Si el sistema es conservativo el resultado de ΔEc deberá ser igual a cero, de lo contrario el sistema debe ser considerado como disipativo, y valor encontrado representa el trabajo realizado por la fricción. El signo negativo del resultado significa que se pierde energía. Registre sus resultados en la tabla 9.1. ΔEc1= Ec1f - Ec1i = ΔEc2= Ec2f - Ec2i= ΔEc3= Ec3f - Ec3i = ΔEc4= Ec4f - Ec4i= CONTROL FINAL 1. Escriba su conclusión de esta práctica. 2. ¿Qué le ocurre a la variación de la energía cinética ΔEc a medida que le agregamos más masas al carrito? 3. Observando los resultados de las energías cinéticas inicial y final, ¿podríamos concluir que se conserva la energía cinética del sistema? 4. Exponga tres posibles razones por las cuales las energías cinéticas no fueron iguales. 5. ¿Cuál es la energía cinética de un vehículo compacto de 1200 kg, si se desplaza a una velocidad de 60 km/h? 6. Un móvil se desplaza con una energía cinética de 600 J. Si la masa es de 25 kg, determine la velocidad. 7. Investigue la energía cinética que posee una bala disparada por una pistola calibre 22. EXPERIMENTO 10 SISTEMA MASA-RESORTE EXPERIMENTO 10 SISTEMA MASA-RESORTE OBJETIVOS: A. Describir la gráfica característica en un Movimiento Armónico Simple. B. Obtener los valores máximos y mínimos de la fuerza en el Movimiento Armónico Simple. C. Obtener el periodo de oscilación, a partir del gráfico de Movimiento Armónico Simple. D. Describir la gráfica característica en un Movimiento Armónico Amortiguado. E. Estudiar las implicaciones de la Ley de Hooke en un sistema masa-resorte. F. Determinar la constante elástica de un resorte. G. Obtener la relación entre la fuerza y la deformación de un sistema masa-resorte. H. Obtener los valores de la energía potencial elástica en un sistema masa-resorte. EQUIPOS REQUERIDOS: ● Sensor de fuerza. ● Sensor de movimiento. ● Interface Pasco workshop 750. ● Barras de soporte mecánico. ● Juego de pesas. ● Resorte. CONTROL INICIAL Antes de iniciar este experimento, el estudiante debe leerlo y luego llenar las siguientes preguntas: 1. ¿Qué es un movimiento periódico? 2. ¿Qué es un Movimiento Armónico Simple? 3. ¿Cuáles ejemplos comunes podemos mencionar de movimientos Armónicos Simples? 4. ¿A qué se le denomina vibración u oscilación? 5. ¿A qué se le denomina periodo? 6. ¿A qué se le denomina amplitud? 7. ¿Qué es la elongación? 8. ¿Qué es un Movimiento Armónico Amortiguado? 9. ¿Qué establece la Ley de Hooke? 10. ¿Cómo se obtiene la Energía de un sistema masa-resorte? 11. ¿Cuánto sensores diferentes vamos a usar en esta práctica? INTRODUCCIÓN En la naturaleza hay muchos movimientos que se repiten a intervalos iguales de tiempo, estos son llamados movimientos periódicos. En Física se ha idealizado un tipo de movimiento oscilatorio, en el que se considera que sobre el sistema no existe la acción de las fuerzas de rozamiento, es decir, no existe disipación de energía y el movimiento se mantiene invariable, sin necesidad de comunicarle energía exterior a este. Este movimiento se llama MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE (MAS). EL MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE es un movimiento vibratorio bajo la acción de una fuerza recuperadora elástica, proporcional al desplazamiento y en ausencia de todo rozamiento. Solemos decir que el sonido de una determinada nota musical se representa gráficamente por la función seno. Ésta representa un movimiento vibratorio llamado movimiento armónico simple, que es aquel que se obtiene cuando los desplazamientos del cuerpo vibrante son directamente proporcionales a las fuerzas causantes de este desplazamiento. Fig 10.1 Para representar gráficamente (en una función) el movimiento armónico simple de un punto, se toman como abscisas los tiempos medidos como fracciones del período (T/12, T/6, T/4...) que es el tiempo que este punto tarda en dar una vuelta completa a la circunferencia; y como a ordenadas las sucesivas prolongaciones de este. La resultante es una sinusoide, ya que la variación del tiempo t, se traduce como una variación del sin x, donde x es el ángulo que forma el radio con el semieje positivo de abscisas (x es proporcional al tiempo). Elementos: 1. Oscilación o vibración: es el movimiento realizado desde cualquier posición hasta regresar de nuevo a ella pasando por las posiciones intermedias. 2. Elongación: es el desplazamiento de la partícula que oscila desde la posición de equilibrio hasta cualquier posición en un instante dado. 3. Amplitud: es la máxima elongación, es decir, el desplazamiento máximo a partir de la posición de equilibrio. 4. Periodo: es el tiempo requerido para realizar una oscilación o vibración completa. Se designa con la letra "T". 5. Frecuencia: es el número de oscilación o vibración realizadas en la unidad de tiempo. 6. Posición de equilibrio: es la posición en la cual no actúa ninguna fuerza neta sobre la partícula oscilante. MOVIMIENTO ARMÓNICO AMORTIGUADO Todos los osciladores reales están sometidos a alguna fricción. Las fuerzas de fricción son disipativas y el trabajo que realizan es transformado en calor que es disipado fuera del sistema. Como consecuencia, el movimiento está amortiguado, salvo que alguna fuerza externa lo mantenga. Fig.10.2 PROCEDIMIENTO A. GRÁFICA DE UN MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE. 1. Tome el sensor de fuerza e instale el sistema como se muestra en la figura 10.3. Cuelgue una masa de 500 gr del resorte. Fig. 10.3 2. Conecte el sensor al interfaz Pasco ScienceWorkshop 750. 3. Abra el programa DATA STUDIO, seleccione la opción “crear experimento. Luego oprima el botón “añadir sensor o instrumento”. Seleccione la opción “sensor análogo ScienceWorkshop”, en la parte superior. Luego seleccione el sensor de fuerza. Una ventana como la que se observa en la fig. 10.4 debe aparecer. Fig. 10.4 Nota: Si el sensor aparece con un signo de admiración, existe un problema con las conexiones. Chequee las conexiones y vuelva a intentar. 4. En la opción pantalla, haga doble clic en el botón “gráfico”. Una ventana como
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