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Guía didáctica # 1 Generalidades Física I I.E. Marceliano Polo Grado 9° Docente Orientador: Fís. Edinson Madrid Ramos

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Guía didáctica # 1

Generalidades

Física I

I.E. Marceliano Polo

Grado 9°

Docente Orientador:

Fís. Edinson Madrid Ramos

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PRESENTACIÓN

A través de la actividad científica es posible conocer con detalle el mundo que nos rodea. Desde la antigüedad, el ser humano se ha formulado preguntas acerca de los objetos que lo rodean en cuanto a sus interacciones, sus aplicaciones, sus comportamientos repetidos y otras cuantas inquietudes que le despierta el observar los eventos con los que se encuentra a diario. A lo largo de la historia se han desarrollado las ciencias naturales, las cuales se construyen a partir de la observación, la medición, la determinación de propiedades, la predicción y el establecimiento de teorías. La física es una ciencia natural que se encarga del estudio de la materia y la energía del

Universo y de la interacción entre las mismas. Este estudio se realiza en la búsqueda de

unos principios fundamentales que le permitan descubrir la estructura del Universo y

describir todos los fenómenos observables. A través de estos principios fundamentales, la

física ha intentado explicar fenómenos como la existencia de agujeros negros, la

producción de impulsos eléctricos en el cuerpo humano o la producción de energía en una

termoeléctrica, entre muchos otros.

CONTENIDO

Bloque 1: Introducción a la Física - ¿Qué es la ciencia y para qué sirve? - ¿Qué es la física? - Relación de la Física con otras ciencias - Tipos de fenómenos físicos - Sistemas físicos

Bloque 2: Magnitudes físicas y vectores - Magnitudes físicas - Conversión de unidades - Los vectores - Suma de vectores

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PROPOSITOS COGNITIVOS VALORATIVOS PRAXIOLÓGICOS

Comprender los diferentes fenómenos científicos y tecnológicos, a partir de diferentes modelos desarrollados en diversos contextos, que le permitan contar con una teoría integral del mundo natural. Proporcionar un conocimiento integral de los fundamentos de Física que lo estimule a consolidar su formación Científico – Pedagógica.

Valorar los desarrollos científicos

y tecnológicos reconociendo su

impacto al cuestionarlos y asumir

posturas críticas y responsables.

Planteamiento e interpretación

de explicaciones problemicas y

soluciones técnico científicas en

lenguaje científico, teniendo en

cuenta variables culturales y

sociales.

Organizar experiencias prácticas con carácter demostrativo, cualitativo o cuantitativo, que faciliten el proceso de construcción del conocimiento, permitiendo que el aprendizaje sea significativo.

ESTANDAR Y COMPETENCIAS

ESTANDAR

Realizo mediciones con instrumentos y equipos adecuados Utilizo las matemáticas para modelar analizar y presentar datos y modelos en forma de ecuaciones y conversiones.

COMPETENCIAS

Interpretativa: Busca, interpreta y utiliza literatura científica.

Argumentativa: Reconoce y establece diferencias entre las magnitudes de la física, ramas de la física, magnitudes escalares y vectoriales, y los sistemas de Unidades.

Planteamiento y resolución de problemas: Resuelve problemas de vectores y los grafica según su dirección y sentido en el plano; convierte unidades de un sistema a otro.

Ciudadanas: Expresa en forma oral y grafica sus ideas y respeta las ideas y construcciones de los demás.

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BLOQUE 1 Introducción a la Física

¿Qué es la ciencia? Los fenómenos naturales son intrínsecos a la naturaleza, nacen con ella, es imposible que el hombre pueda regirlas o alterarlas, como ejemplos tenemos: la caída de los cuerpos, los fenómenos ópticos, la atracción magnética, la transformación de la energía, entre otros; por otro lado, es obvio afirmar que siempre existió una interacción mutua entre el hombre y la naturaleza. El ser humano mediante su inteligencia trató de encontrar la solución al porqué de los fenómenos naturales, surgió entonces la ciencia que no es más que el conocimiento y estudio de las leyes de la naturaleza. Entiéndase que la ciencia encierra un conocimiento cualitativo y cuantitativo de las leyes naturales; pues si no se puede medir y expresar en números las leyes de un fenómeno, por más que su explicación cualitativa sea contundente, ésta será pobre e insatisfactoria; de ahí que las matemáticas se convierten en una herramienta imprescindible en la formulación de una Ley.

¿Para qué sirve la ciencia? Realmente esta pregunta es muy amplia, pero de manera general se puede afirmar que sirve para:

Prevenir el acontecimiento futuro de un fenómeno natural (terremoto, lluvia, huracán, etc.)

Poder usarlas de acuerdo a nuestros intereses. Usamos el viento para trasladarnos en avión; usamos la caída del agua para generar energía eléctrica; usamos los diferentes tipos de ondas para comunicarnos.

Modernizarnos, pues la ciencia tiene su aplicación directa, por ejemplo: La Ingeniería, La Medicina, La Astronomía, etc.

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Sin embargo, muchas veces hay cosas que escapan al control de la ciencia, convirtiéndose en una creación peligrosa para el hombre (ver video: “Segundos catastróficos – Fukushima”, disponible en la página www.fisicaexperimental.jimdo.com)

¿Qué estudia la física? La física es una disciplina científica que investiga el por qué y el cómo de los fenómenos naturales que observamos, a través de los sentidos o de los instrumentos que disponemos.

En este contexto, los físicos intentan descubrir cuáles son las leyes básicas que rigen el comportamiento de la materia y la energía, en cualquiera de sus formas.

Asimismo, tratan de discernir el comportamiento y la naturaleza de las estrellas, la luz, el tiempo, el

sonido y las partículas subatómicas, entre otros.

La física y otras ciencias Para explicar los nuevos descubrimientos en términos de lo que ya se conoce y para lograr que estos descubrimientos sean más comprensibles, se diseñan modelos, estos buscan describir la realidad valiéndose de la comparación entre unos fenómenos conocidos y el fenómeno que se pretende describir.

La física no es una disciplina de estudio aislada, hay muchos puntos de contacto con otras ciencias, como la química, la biología, la matemática, la astronomía, entre otras.

Una de las ciencias que estudia gran cantidad de situaciones en las cuales utiliza modelos de la física y de la química, es la biología cuando trata de explicar el comportamiento de organismos vivos.

Por ejemplo; en el cuerpo humano, los alimentos son la principal fuente de energía. La temperatura del cuerpo debe mantenerse aproximadamente constante, por tanto, es de esperarse que sucedan reacciones de combustión en el organismo.

Además de la energía necesaria para el

movimiento del cuerpo, se requiere de cierta

energía para que se lleven a cabo los procesos de

circulación, de respiración y de excreción.

ACTIVIDAD # 1

Completa el siguiente mapa conceptual. Conceptos clave: * Medicina * Física atómica * Biología * Música * Óptica

* Geología * Electromagnetismo * Acústica * Química * Moderna * Termodinámica * Física cuántica * Física nuclear

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FENÓMENO

Manifestación de una actividad que se produce en la naturaleza y se percibe a través de los sentidos.

Es el cambio o modificación que sufren los cuerpos de la naturaleza, bajo la influencia de diversas formas de energía; existen muchos fenómenos. En esta oportunidad nos ocuparemos solo de dos fenómenos.

A) Fenómeno Físico Es el cambio que sufre la materia sin alterar su estructura íntima. Se caracteriza por ser reversible

B) Fenómeno Químico Es el cambio que sufre la materia experimentando una alteración en su estructura química. Se caracteriza por ser irreversible, es decir el cuerpo no vuelve a ser jamás lo que inicialmente era.

C) Fenómeno Físico-Químico Este fenómeno tiene algunas características del fenómeno físico y otras del químico.

Ilustraciones

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SISTEMAS FÍSICOS Un sistema físico es un grupo de objetos ordenados según ciertas leyes, entre cuyas partes existe una interacción de tipo causal. Cuando nos interesamos en estudiar un fenómeno físico aislamos lo que a él se circunscribe, es decir, nos abocamos únicamente a esa parte del universo y lo declaramos nuestro sistema físico. De esta forma, un sistema físico puede ser un péndulo, un circuito eléctrico, un arreglo mecánico de pesas, cuerdas, poleas, etc. Todo sistema físico presenta tres características:

Tiene una ubicación en el espacio-tiempo: es decir que ocurre en un lugar específico y en un momento dado.

Tiene un estado físico definido sujeto a evolución temporal: quiere decir que si las condiciones iniciales cambian, sus características también lo hacen.

Se puede asociar con una magnitud física llamada energía. Esta energía puede presentarse en cualquier forma: luz, calor, sonido, electricidad, etc.

Los sistemas físicos pueden ser abiertos, cerrados o aislados, según realicen o no intercambios con su entorno.

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Al realizar un experimento en nuestro sistema físico observamos que algunas propiedades van cambiando otras no, a las primeras las designamos variables físicas y a las segundas constantes. Por ejemplo, al calentar el agua durante unos minutos la temperatura representa una variable en tanto que la cantidad de agua es una constante siempre y cuando no se presente la evaporación. En un sistema físico nos interesa comprender el porqué del comportamiento de las variables, es decir, una variable depende del comportamiento de otra; así al calentar el agua, la temperatura va a depender de otras variables como: el tamaño del contenedor, la cantidad de agua, la intensidad de la flama, el tiempo de exposición al fuego, etc. Otros ejemplos comunes los encuentras mientras escuchas la radio, puedes cambiar de estación, subir o bajar el volumen; al ver televisión igualmente puedes cambiar de canal y controlar la intensidad del color; si te preparas algún alimento regulas la llama de la estufa; asimismo, puedes controlar la iluminación de tu casa eligiendo focos de diferente número de watts ( 25 W, 40 W, 60 W, etc.) y mantenerlos encendidos o apagados; el chofer con el volante, los pedales y la palanca de velocidades controla la marcha de su vehículo; el piloto de avión necesita conocer las corrientes de aire para controlar el avión. ¿Qué otro tipo de situaciones conoces que se controlan a diario?. Otro ejemplo interesante en el que puedes controlar una situación es la natación. ¡A propósito!, ¿sabes nadar?. Habrás observado que algunos buenos nadadores pueden flotar o sumergirse a voluntad, como en el nado sincronizado. ¿Cómo crees que estos nadadores, al igual que los delfines y los peces, logran hacer sus piruetas en el agua?, ¿qué sabes acerca de la flotación de objetos en el agua?. Hay objetos que flotan y otros que se hunden. ¿Cuáles de ellos flotan en el agua?, ¿dependerá de su tamaño?. Arturo realizó la experiencia anterior jugando con una barra de plastilina: hizo un barquito con ella y aseguró que flotaba. ¿Le crees?. ¡Inténtalo!. Lo sorprendente del experimento de Arturo es que al barquito de plastilina le fue agregando monedas y éste siguió flotando. ¡Hazlo!. Si te fijas, los barcos de acero también flotan. Investiga en qué condiciones los objetos pesados flotan en el agua.

ACTIVIDAD # 2: Imagine las siguientes situaciones:

A. Usted tiene una mascota y observa durante varios días las cosas que toma ella del entorno y las cosas que libera ella al entorno. Nombre por lo menos 4 cosas en cada caso y clasifíquelas según sean materia o energía. De acuerdo con lo observado: ¿Qué tipo de sistema es su mascota? Explique su respuesta. B. Un recipiente con agua caliente que se retira del fuego, se enfría poco a poco. ¿Qué clase de energía se percibe en el sistema? Al enfriarse el agua, ¿Dónde va esa energía? ¿Qué tipo se sistema forman el recipiente, el agua y su entorno? Explique su respuesta C. Usted observa el planeta Tierra desde el espacio. ¿El planeta recibe materia o energía del espacio o de otro cuerpo celeste? ¿El planeta libera materia o energía al espacio? De acuerdo con las respuestas anteriores, ¿Qué tipo de sistema es la Tierra?

D. Dibuje un carro y nombre algunos elementos del entorno que influyan en su movimiento. El conjunto de los elementos que usted nombró, forman un sistema físico. ¿Qué tipo de sistema podría ser este?

E. ¿Que elementos del ambiente, intervienen para que una vela se mantenga encendida? ¿Estos elementos forman un sistema físico? ¿Por Qué? ¿Qué tipo de sistema sería?

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BLOQUE 2 Magnitudes físicas y vectores

Magnitudes y unidades del Sistema Internacional (S.I.) Consta de siete magnitudes y unidades básicas (o fundamentales), que al combinarse forman las

magnitudes y unidades derivadas.

CONVERSION DE UNIDADES Es un problema común tener una cantidad o magnitud física expresada en unas unidades y se desea

expresarla en otras unidades, para resolver se tienen varias estrategias: una es dada la equivalencia entre

unidades establecer la regla de proporción (Regla de tres), la otra es multiplicar la cantidad por el factor de

conversión adecuado. Este factor de conversión no altera la cantidad sólo la expresa en otras unidades.

Una ventaja del factor de conversión es que no se requiere de una tabla muy extensa y exhaustiva de

equivalencias entre unidades, para realizar la conversión.

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EQUIVALENCIAS A continuación se presenta una tabla de equivalencias:

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ACTIVIDAD # 3: Resuelve las siguientes conversiones de unidades, indicando el procedimiento

completo.

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VECTORES Las magnitudes son los atributos que nos permiten establecer medidas para determinadas propiedades físicas, por ejemplo tenemos a: la temperatura, la longitud, la fuerza, la corriente eléctrica, etc. Se tienen dos tipos de magnitudes, las escalares y las vectoriales. Magnitudes escalares Las magnitudes escalares físicas quedan completamente determinadas por su magnitud, expresada en alguna unidad conveniente. Por ejemplo, para especificar el volumen de un cuerpo es necesario solamente indicar cuántos metros o pies cúbicos ocupa. Para conocer la temperatura es suficiente con leer un termómetro. El tiempo, la masa, la carga y la energía son también cantidades escalares. Magnitudes vectoriales En muchos casos las magnitudes escalares no dan información completa sobre una propiedad física requieren para su completa determinación, que se añada una dirección a su magnitud. El caso más sencillo es el desplazamiento. El desplazamiento de un cuerpo se determina por la distancia efectiva que se ha movido y la dirección en la cual se ha movido (Desplazamiento = distancia + dirección). Una fuerza de determinado valor puede estar aplicada sobre un cuerpo en diferentes sentidos y direcciones. Tenemos entonces las magnitudes vectoriales que, como su nombre lo indica, se representan mediante vectores, es decir que además de un módulo (o valor absoluto) tienen una dirección y un sentido. Ejemplos de otras magnitudes vectoriales son la velocidad y la fuerza. Los vectores se representan gráficamente por segmentos de una línea recta que tiene la misma dirección que el vector y una magnitud proporcional a la magnitud. Los vectores son cantidades que se pueden sumar y restar (también existe la multiplicación entre vectores, pero esta no cae dentro de este curso). En la escritura, un símbolo en tipo grueso como la V o bien una letra con una flecha encima, indica un vector, la magnitud se indicara por IVI.

Suma de vectores La suma de los vectores podemos realizarla de dos maneras diferentes: gráfica y analíticamente.

Procedimientos gráficos 1. Método del Paralelogramo

i. Dibujamos los vectores en la escala adecuada, de tal forma que coincidan sus orígenes (puntos de aplicación).

ii. Trazamos líneas auxiliares paralelas a cada vector que pasen por sus extremos.

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iii. Dibujamos el vector suma de manera que su origen coincida con el de los dos vectores y su extremo coincida con el punto de intersección de las líneas auxiliares; como se ilustra en la figura.

2. Método del polígono

i. Representamos las magnitudes vectoriales por medio de

flechas; y elegimos la escala adecuada. ii. Seleccionamos uno de los vectores que vamos a sumar sin

cambiar su dirección y al cual llamaremos vector sumando. iii. Dibujamos el siguiente vector, de manera que su origen

coincida con la punta triangular del primero. iv. Si vamos a sumar un tercer vector, colocamos su origen en la

punta triangular del segundo vector, de manera que conserve su dirección; etc.

v. La suma vectorial o resultante, es un nuevo vector que parte del inicio del primer vector, hasta el final (punta triangular) del último vector trazado.

vi. Se mide su magnitud usándola escala y su dirección (ángulo) con ayuda de un transportador.

EJEMPLO 6. Suma los vectores A = 200 m, 110° con B = 300 m, 230°.

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Método Algebraico para la Suma de vectores coplanares.

Dados tres vectores. Las coordenadas o componentes del vector en un sistema de referencia pueden

escribirse entre paréntesis y separadas con comas. Para un vector A: A = (Ax, Ay )

La expresión correspondiente al vector suma: R = A + B + C, es:

R = Ax i + Ay j + Bx i + By j + Cx i + Cy j = (Ax + Bx + Cx )i + (Ay + By + Cy )j

Siendo, por tanto:

Rx = Ax + Bx + Cx Ry = Ay + By + Cy

Para nuestros problemas, solo se tendrán componentes en los ejes “x” (horizontal) y “y” (vertical), por

ello, si tenemos dos vectores solamente:

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Obteniendo el vector resultante:

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el signo (+) nos indica que el ángulo del vector resultante, se mide en el sentido contrario al descrito por

las manecillas de un reloj, a partir del eje “x” positivo.

Datos del vector: Magnitud, dirección

Componentes horizontales Fx = F cos θ

Componentes verticales Fy = F sen θ

Suma de componentes:

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Datos del vector: Magnitud, dirección

Componentes horizontales Fx = F cos θ

Componentes verticales Fy = F sen θ

Suma de componentes:

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1.- Las siguientes magnitudes físicas son básicas (fundamentales) para el sistema internacional de unidades: a) La longitud y el volumen b) La presión y la masa c) El tiempo y la aceleración d) La temperatura y el área e) La masa y la longitud. 2.- La suma de vectores se puede realizar en forma gráfica empleando el procedimiento: a) del paralelogramo b) de cosenos c) de la palanca d) de senos e) del pantógrafo 3.- Una situación donde está presente la ciencia es: a) Crear motores que usen de combustible al hidrógeno. b) Tener llantas de buen agarre en pavimento mojado. c) Describir las características del movimiento de un auto. d) Fabricar limpiadores de 3 velocidades para la lluvia. e) Obtener carreteras rectas y rápidas de varios carriles. 4.- Si L representa la dimensión de la longitud y T al tiempo, entonces las dimensiones de la aceleración son: a) L + T, b) T / L, c) L / T2, d) L / T, e) L2 / T 5.- La tecnología esta mostrada en el siguiente hecho: a) Explicar los movimientos de los planetas. b) Fomentar el uso de energía no contaminante.

c) Cambiar con la presión la temperatura de ebullición del agua. d) Obtener lámparas luminosas de mayor eficiencia. e) Explicar la descomposición de la luz blanca en un arcoíris. 6.- Para la física un vector es una cantidad que a) representa a todas las magnitudes b) tiene orientación en el espacio c) sin orientación en el espacio d) corresponde a cualquier variable física e) solamente tiene unidades de medida

7.- Un ejemplo de una unidad es: a) la temperatura b) la masa c) el metro d) el vector e) el reloj 8.- ¿Qué es una unidad? a) un aparato para medir tiempos b) una medida de longitud c) un aparato que nos da resultados d) una magnitud de comparación e) un cronómetro 9.- Un ejemplo de un vector es: a) la temperatura b) la masa c) el desplazamiento d) el trabajo e) la energía 10.- Son cantidades escalares: a) velocidad, aceleración, fuerza. b) tiempo, fuerza, distancia. c) tiempo, energía, torca. d) tiempo, energía, distancia. e) tiempo, aceleración, masa. 11.- Son ejemplos de vectores: a) Aceleración, fuerza, velocidad, peso.

REACTIVOS DE LA GUIA DIDACTICA # 1

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b) Desplazamiento, orientación, coordenadas cartesianas, calor. c) Rapidez, velocidad, distancia, masa. d) Temperatura, masa, distancia, rapidez. e) Intensidad luminosa, intensidad sonora, intensidad de calor.

12.- Si un objeto realiza dos desplazamientos, uno de 35 m, 0° y el otro de 50 m, 180°; su resultante debe ser: a) 85 m, 0° b) 85 m, 180° c) 15 m, 0° d) 15 m, 180° e) 15 m, 90°

13.- Dos fuerzas de 6.0 N y otra de 8.0 N, actúan concurrentemente sobre un punto. Mientras el ángulo entre dichas fuerzas se va incrementando de 0° a 90°, ¿qué le sucede a la magnitud de la fuerza resultante? a) Produce un aumento en la fuerza de 6 N b) Produce una reducción en la fuerza de 8 N c) Disminuye d) Aumenta e) Permanece igual

14.- Un estudiante camina el trayecto de su casa a su escuela cuatro cuadras hacia el este, tres cuadras hacia el norte, y otras cuatro cuadras hacia el este, como se muestra en el diagrama. Al comparar la magnitud del desplazamiento al pasar de su casa a la escuela con la distancia que camina; casa, se nota que la distancia recorrida es _______ que el valor del desplazamiento.

a) menor b) mayor c) la misma d) la mitad e) el doble

15.- La física es una ciencia que se basa en: a) La observación, la experimentación, la teoría, las leyes y la matemática. b) Los instrumentos, los datos, los hechos, el sentido común y la experiencia. c) El ensayo-error, la casualidad, las fórmulas y la metodología estocástica. d) Las hipótesis matemáticas, la inventiva, la tecnología y las necesidades humanas. e) Las ciencias exactas, la instrumentación, los recursos económicos, las políticas de investigación. 16.- A este científico se le atribuye el desarrollo de las leyes del movimiento, vistas desde un sistema a velocidad constante: a) Newton

b) Galileo

c) Arquímedes

d) Aristóteles

e) Einstein 17.- La relación de la física en la vida diaria se puede notar en: a) La aplicación de la Ley de gravitación universal en la óptica geométrica. b) El uso de la temperatura y el clima. c) La investigación criminalística de hechos delictivos. d) El uso de los electrodomésticos. e) Las leyes de Newton en la luz incandescente. 18.- Una magnitud básica (o fundamental) del Sistema Internacional es: a) el tiempo b) el metro c) la fuerza d) la energía e) el watt 19.- ¿Cuál es la unidad que utiliza la Energía Mecánica? a) Ampere b) Joule

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c) Newton d) Watt e) Volt

20.- En el Sistema Internacional, para medir la velocidad ¿que unidad derivada se utiliza? a) km / h b) mi / h c) m / min d) m / s e) cm /s 21.- ¿Cuál es el resultado de convertir 126 km/h a m/s? a) 0.3 m/s

b) 12 m/s c) 35 m/s d) 40 m/s e) 120 m/s 22.- ¿Cuál es el resultado de convertir 12 m/s a km/h? a) 3.33 km/h b) 43.2 km/h c) 48.2 km/h d) 50 km/h e) 100 km/h

BIBLIOGRAFÍA

Física 1 BGU, MEN del Ecuador, Santillana, 2014

Jorge Mendoza Dueñas, Física, Lima - Perú, 2002

Jonathan Torres Barrera, GUÍA PARA PREPARAR EL EXAMEN EXTRAORDINARIO DE FÍSICA I, México, 2011

Ma. Eugenia González Sandoval, Guía de Estudio Física I, Instituto Politécnico Nacional

https://www.youtube.com/watch?v=r_Cn27gARyM

https://www.youtube.com/watch?v=MYHm08FjBc8

Página WEB: fisicaexperimental.jimdo.com