Elaboró: Nelson Bahamón Cortés1

FISICA III

MANEJO DE SENSORES Y SOFTWARE 1. CARTA DE COMPETENCIAS

Básica(s) Capacidad de relacionar los resultados experimentales, con los modelos teóricos y concluir sobre la validez de los mismos.

Genérica(s) Habilidad de hacer medidas experimentales que le permitan estudiar un sistema físico, realizando un tratamiento de datos y una entrega de resultados correctos.

Com

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Específica(s) Estar en capacidad de recolectar, procesar, analizar y presentar correctamente datos e información.

2. TEORÍA DE LA ENSEÑANZA – APRENDIZAJE PARA LA COMPRENSIÓN.

Topico(s) Generador(es):

Medición con sensores he instrumentos que implican nuevas tecnologías

Meta(s) de comprensión:

Manejo de magnitudes y unidades. Presentar medidas experimentales correctamente. Tener capacidad para identificar, plantear y resolver problemas.

Desempeño(s) de

comprensión:

El estudiante debe estar incapacidad de manejar correctamente las unidades y todo lo relacionado con mediciones. Desarrollar habilidades en el uso correcto de instrumentos para la medición que implican nuevas tecnologías.

Valoración continua:

Los laboratorios se evaluaran directamente durante la práctica. Es decir, se tendrá en cuenta el trabajo durante la misma y un informe escrito que se entregará tan pronto termine la sesión.

1 Docente UCC. Físico UN

3. BASE TEÓRICA

Uno de los principales propósitos de esta práctica es aprender a manejar los equipos del laboratorio ya que estos funcionan a través de un software e involucran nuevas tecnologías. Sin embargo no hay que perder de vista el hecho de que se trata de una práctica de laboratorio de física y por lo tanto el énfasis está en saber presentar y manipular correctamente medidas experimentales con dichos equipos, mas que saberlos manejar.

Así para esta práctica de laboratorio es necesario tener claros los siguientes conceptos: Error instrumental Regresión lineal Diferencia porcentual Propagación de errores. Así mismo, en este laboratorio se tomarán medidas de las siguientes cantidades utilizando

diferentes tipos de sensores: Distancia, fuerza, voltaje y campo magnético. Revise cada uno de estos conceptos así como sus unidades. En especial los que no ha

medido antes en el laboratorio. En la referencia [9.3.]2 de internet se encuentran algunos manuales resumidos del manejo del

software3. Lea completa por lo menos la “guía rápida”, esto le permitirá ganar tiempo al familiarizarse con el software desde antes del día de la práctica. Es interesante también leer acerca de los principios físicos del funcionamiento de cada sensor.

4. MONTAJE Se trabajará con los siguientes elementos y sensores:

Computador

Interface

2 Ver numeral 9 de esta guía 3 Data Studio

Sensor de posición (Motion Sensor)

Generador (Power Amplifier)

Sensor de fuerza (Force Sensor)

Sensor de Campo Magnético (Magnetic Field Sensor)

Entre paréntesis se ha colocado el nombre en inglés del sensor, ya que de esta manera lo

encontrará en el software. 5. MATERIALES

1. Interface y computador. 2. Generador. 3. Sensor de posición. 4. Sensor de fuerza. 5. Sensor de campo magnético. 6. Balanza 7. Juego de pesas y portapesas. 8. Imán.

6. PROCEDIMIENTO

Se tomarán medidas utilizando cada uno de los sensores. En cada caso se sacará

información adicional y se compararán medidas obtenidas por diferentes caminos. Al trabajar con el sensor de posición se aprenderá a exportar datos en forma de gráficas y/o tablas, lo cual se aplicará también con los demás sensores. Esto es muy importante ya que es lo que permite hacer tratamiento de los datos en otros programas o simplemente presentarlos en un informe.

Guiándose por el numeral 4 identifique claramente sobre la mesa, la interface y cada uno de los sensores.

Nota: Se colocarán entre comillas (“ “) los términos que se refieran a comandos o botones del

software ya que se trata de aprender a manejarlo. En prácticas futuras no se darán indicaciones al respecto, pues se espera que esto ya se maneje. Con el propósito de no sobrecargar de información el cuerpo de la guía, se han dejado en el anexo 1 algunas explicaciones adicionales respecto del manejo del software, en especial la parte que tiene que ver con exportar información del mismo.

6.1. Sensor de posición. Suponga que un móvil se mueve linealmente de acuerdo con la siguiente gráfica de posición

vs tiempo:

Posición vs Tiempo(Gráfica teórica)

0

1

2

3

4

0 2 4 6 8

Tiempo (segundos)

Posi

ción

(met

ros)

En lo sucesivo se le llamará gráfica teórica a la anterior gráfica y datos teóricos a los obtenidos de la misma. ¿Qué tipo de movimiento tiene el móvil?

Por simple inspección de la gráfica, encuentre la ecuación teórica de la posición (x) en función

del tiempo (t). Consigne la ecuación en la tabla 1. Con dicha ecuación halle la velocidad y la posición teórica para un tiempo determinado, por ejemplo 2,5 s. Consigne los resultados en la tabla 2 (tenga en cuenta las unidades).

En el software, ubique el sensor de posición en el listado de sensores y conéctelo en la

ventana “Setup”. Conéctelo también físicamente. En el panel “Displays” escoja “Graph” y seleccione posición. El sistema está listo para medir posición y mostrar el resultado en una gráfica de posición vs tiempo.

Nota: Nunca tome medidas colocando un obstáculo a menos de 15 cm del sensor. El sensor

no puede medir en este rango y el tratar de hacerlo lo deteriora.

Para tomar una primer medida exploratoria coloque un obstáculo (por ejemplo un cuaderno) frente al sensor. Después de oprimir “Start”, acérquelo y aléjelo repetidamente y observe la gráfica que se obtiene. En el panel “Displays” escoja “Digits” y seleccione posición. Repita el procedimiento y observe que en este caso además de observar la gráfica, se observa una ventana con el valor numérico de los datos medidos.

Una vez que tenga suficiente familiaridad con el sistema ubíquese (como se muestra en la

figura) frente al sensor y comience a medir su propia posición. Muévase tratando de generar la gráfica teórica. Tenga en cuenta que no se trata solamente de generar la misma forma de la gráfica sino que los valores numéricos deben coincidir lo mejor posible.

Bien, ahora utilice la opción “fit” y haga un ajuste de la recta por mínimos cuadrados. A la

ecuación obtenida de esta manera se le llamará ecuación experimental, repórtela en la tabla 1. Hay que tener en cuenta que la pendiente y el punto de corte dados por el ajuste, tienen también una incertidumbre experimental. El criterio para definir esta incertidumbre será la desviación estándar (“Standar deviation”). De acuerdo con esto escriba correctamente la pendiente y el punto de corte con su respectiva incertidumbre.

De la misma manera como lo hizo para los datos teóricos, pero utilizando está vez la ecuación

experimental obtenga los valores de posición y velocidad para el mismo instante de tiempo. Consígnelos en la tabla 2 con su respectivo error.

Halle la diferencia porcentual entre el valor experimental y el valor teórico, tanto para posición

como para velocidad. Consigne los resultados en la tabla 2. Antes de pasar al numeral 6.2, revise el anexo 1 y exporte la gráfica experimental como allí se

propone. 6.2. Generador. Haga un procedimiento similar al del caso anterior pero configurando esta vez el sistema con

el generador. En lugar de visualizar mediante “Graph” utilice “Scope” y genere las señales que se muestran en la siguiente tabla:

Señal Frecuencia (Hz) Amplitud (V)

Senoidal 60 3

Cuadrada 10 2

Triangular 2 8

Directa 5

Exporte la imagen vista de la señal en cada caso. Para la señal directa utilice la opción “Digits”

y visualice el valor de voltaje. Repórtelo con su respectivo error instrumental. Aunque la opción de gráfica (“Graph”) no es la mejor opción para visualizar estas señales, es

interesante hacerlo con una señal de baja frecuencia. Hágalo con la primera señal de la tabla pero colocando una frecuencia de 1 Hz. También en este caso exporte la señal obtenida.

6.3. Sensor de fuerza. Haga un procedimiento similar al del caso anterior pero configurando esta vez el sistema con

el sensor de fuerza. Mediante “Graph” genere una gráfica de Fuerza vs tiempo y tome una primera medida exploratoria haciendo fuerza sobre el gancho del sensor hacia fuera y hacia adentro.

Del juego de pesas tome algunas, hasta completar algún valor de masa entre 0 y 200 gr.

Ubíquelas en los soportes. El valor teórico de la masa del cuerpo (pesas mas soportes) será la suma de los valores indicados en las pesas y soportes. Con dicho valor calcule el peso teórico del cuerpo. Consigne ambos valores en la tabla 3.

Mida en la balanza la masa del cuerpo y consígnela en la tabla 3 como masa experimental,

con su respectivo error instrumental. De nuevo calcule el peso y consígnelo como peso experimental 1. Tenga en cuenta que debe consignarlo con su respectiva incertidumbre calculada mediante propagación de errores.

Finalmente con ayuda de hilo suspenda el cuerpo del sensor de fuerza (ver figura) y mida el

peso del mismo. Consigne el resultado en la tabla 3 como peso experimental 2 con su respectivo error instrumental.

Halle la diferencia porcentual entre los valores experimentales y el valor teórico. Consigne

los resultados en la tabla 3.

6.4. Sensor de campo magnético. Haga un procedimiento similar al del caso anterior pero configurando esta vez el sistema con

el sensor de campo mangnético. Mediante “Graph” genere una gráfica de campo magnético vs tiempo y tome una primera medida exploratoria alejando y acercando el sensor al imán. Repita este procedimiento agregando una ventana mediante la opción “Digits” de manera que en este caso pueda ver también el valor numérico del campo. Exporte la gráfica observada. Consigne correctamente cualquiera de los valores observados de campo magnético (con su respectivo error instrumental).

Revise en el sensor las opciones de ganancia y de cambio de coordenada (de dirección axial

a radial). Esto tiene que estar claro para futuras prácticas.

7. TABLA(S) DE DATOS

Tabla 1

Ecuación Teórica de posición vs tiempo X = ( ) t + ( )

Ecuación Experimental de posición vs tiempo

Tabla 2

Tiempo (s) Cantidad Valor ∆%

Posición teórica

Posición experimental

Velocidad teórica

Velocidad experimental

Tabla 3

Cantidad Valor ∆%

Masa teórica

Masa experimental

Peso teórico

Peso experimental 1

Peso experimental 2

Tenga en cuenta que todos los datos consignados deben tener claras las unidades

correspondientes. Igualmente tenga en cuenta que todos los datos deben tener su respectiva incertidumbre.

8. ANALISIS Y RESULTADOS

Tenga en cuenta que se trata de una práctica de Física más que de aprender a manejar los equipos. En su análisis y conclusiones coloque máximo una observación respecto de las ventajas de los equipos. Concéntrese en las mediciones físicas.

Haga una tabla donde muestre el error instrumental dado por cada uno de los sensores. Responda en forma clara y justificada sobre sus resultados experimentales las siguientes

preguntas:

• Para cada medida. ¿Qué tan cerca estuvieron los valores experimentales del valor teórico?. Tenga en cuenta el valor de la diferencia porcentual.

• Compare también estos valores mediante las incertidumbres de cada uno, ¿se interceptan los rangos determinados por cada una?

9. BIBLIOGRAFIA

[9.1.] SERWAY, Raymond A. y JEWETT, Jhon W. (2002) Física I y II Texto basado en cálculo, 3a Ed. Editorial Thomson.

[9.2.] PASCO scientific. (1999), Physics Labs with Computers Student Workbook. Volume 2.

[9.3.] Documentos en internet:

� http://www.tecnoedu.com/Download.php

ANEXO 1

COMPLEMENTO DE MANEJO DEL SOFTWARE Exportando información: La información obtenida en el sistema, se puede exportar del

programa en forma de imágenes o en forma de datos. En el primer caso el interés es solamente informativo ya que los datos se pueden visualizar en una imagen de la gráfica o la tabla de datos. Esta es la mejor opción cuando se trata de presentar los resultados en un informe. En el segundo caso los datos se pueden llevar a otro programa y seguir trabajando con ellos.

Tan pronto finalice la realización del numeral 6.1, siga el siguiente procedimiento para exportar

la gráfica experimental: Con la gráfica activa oprima “Displays” y “Export picture”. Navegue hasta el directorio que desee y guarde la imagen de la gráfica con algún nombre. Ahora utilice la opción “Table” para desplegar los valores de los datos de la gráfica y repita el mismo procedimiento. En ambos casos lo que se exportó fue una imagen que permite visualizar los datos en forma de gráfica y tabla respectivamente, pero no permite hacer operaciones con los mismos. Guarde estas imágenes para tener un registro de su trabajo.

Se deja como opcional el siguiente ejercicio para exportar datos: Opcional: Con la gráfica activa oprima “Displays” y “Export data”. Navegue hasta el directorio

que desee y guarde el archivo de datos con algún nombre. En otro programa (por ejemplo una tabla de cálculo) abra el archivo y haga la misma gráfica experimental.

Otras herramientas (opcional): Existen muchas otras herramientas, de tratamiento de datos

experimentales en el software. Para los valores experimentales de posición y velocidad se propone la siguiente manera de medirlos con un criterio diferente: Para la posición, ubique el punto correspondiente al tiempo escogido, sobre la gráfica, mediante la herramienta “xy”, con esto tiene ya el valor de la posición. Para la velocidad haga lo mismo pero utilizando la herramienta de “tangente”, de manera que obtiene la tangente (velocidad) en el punto. Reporte los resultados teniendo en cuenta el respectivo error instrumental.