Práctica 1 “Características estáticas de instrumentos de...

Laboratorio abierto de Física Experimental

E. Aguirre Maldonado, R. Gámez Leal y G. A. Jaramillo Morales 1

Práctica 1

“Características estáticas de instrumentos de medición”

Objetivos: a) Identificar la cantidad física que mide cada instrumento de medición disponible. b) Determinar las características estáticas de cada instrumento de medición. c) Comprender el concepto de calibración y realizarla en aquellos instrumentos en que sea

factible. Equipo y material:

o flexómetro o vaso de precipitados de 50 [ml] o cronómetro digital o amperímetro de carátula o termómetro o dinamómetro o calibrador con vernier

Actividad 1 En los siguientes renglones liste diez ejemplos de cantidades físicas y posteriormente anote el nombre del instrumento de medición que se emplea para medir de cada cantidad.

cantidad física instrumento de medición cantidad física instrumento de medición

Se entiende por cantidad física aquella magnitud que se puede medir, directa o indirectamente,como en el caso de la longitud de una mesa, para la primera y de la temperatura de unasustancia, para la segunda.



Dentro de estas características se encuentran:

Actividad 2 Anote el nombre de cada instrumento de medición; identifique y registre: el rango, la resolución y la legibilidad de cada uno. instrumento de medición rango resolución legibilidad

Las características estáticas de un instrumento de medición son aquellas que se identifican, aunsin utilizar el instrumento pero sí observando su carátula o pantalla.

Rango: es el intervalo de valores en que con elinstrumento se puede medir, éste debe especificarsedesde que valor (el menor) y hasta que valor (elmayor) se puede medir. Por ejemplo el rango deltermómetro que se muestra en la figura es:

desde –24 [ºC] hasta 50 [ºC].

Resolución: es el intervalo más pequeño que se puedemedir con error mínimo en el instrumento demedición. El termómetro de la figura tiene unaresolución de 2 [ºC].

Legibilidad: es la cualidad del instrumento demedición para facilitar las lecturas del propioinstrumento; ésta característica se evalúa de maneracualitativa (excelente, buena, regular, mala) y tieneuna relación directa con: la nitidez de los números lasmarcas de las divisiones, los colores de la carátula; porejemplo; en el termómetro se puede apreciar unalegibilidad regular.



Actividad 3 De los instrumentos de medición proporcionados, identifique aquellos que pueden ser calibrados y anótelos.

Actividad 4 Describir el procedimiento de calibración de la balanza.

Actividad 5 Describir el procedimiento de calibración del dinamómetro.

Calibración: Es la serie de ajustes que hay que realizar en un instrumento con la finalidad de que sufuncionamiento sea óptimo.



Práctica 2

“Caracterización de un calibrador con vernier”

Objetivos: a) Determinar las características estáticas del calibrador con vernier. b) Determinar el porcentaje de error de exactitud para cada valor patrón. c) Determinar el porcentaje de error de precisión para cada valor patrón. d) Identificar constante(s), variables: dependiente e independiente en expresiones

matemáticas. Equipo y material:

o calibrador con vernier o muestra de madera (trapecio)

Actividad 1 En los siguientes renglones liste las siete dimensiones del SI, sus símbolos, las unidades (fundamentales), también con sus símbolos.

nombre de la dimensión símbolo

nombre de las unidades

fundamentales símbolo

El Sistema Internacional de Unidades (SI) se propuso para unificar las unidades a nivelmundial en un solo sistema (conjunto), para que los países pudieran intercambiar productos yrealizar todo tipo de transacciones comerciales, tiene como base siete cantidades físicas, lascuales son llamadas dimensiones y cada una de ellas se mide en una magnitud arbitrariallamada unidad.



Actividad 2 Anote el rango, la resolución y la legibilidad del calibrador con vernier. No olvide colocar la unidad correspondiente y realizar las mediciones necesarias para el llenado de la tabla siguiente

Rango:

Resolución:

Legibilidad:

donde: Vpatrón = valor patrón. VL = valor leído.

El error de exactitud se puede obtener a partir de la expresión matemática siguiente:

100xV

VVEE%

patron

Lpatron −=

y la exactitud se obtiene a partir de: %E = 100 - %EE

Vpatrón [cm] VL [cm] b (base menor) B (base mayor) h (altura) e (espesor)

Error experimental: es la diferencia que existe entre el valor patrón y el valor medido de unacantidad.

La característica del instrumento de medición que permite obtener, una lectura de ciertacantidad física, lo más cercana posible al valor patrón es llamada exactitud.

B

b

h

e



Actividad 3 Realizar los cálculos necesarios para completar el llenado de la tabla siguiente: Vpatrón [cm] VL [cm] %EE %E b (base menor) B (base mayor) h (altura) e (espesor) El error de precisión se calcula con la expresión:

100xV

VVEP%L

aL +−=

y la precisión se puede calcular por medio de: %P = 100 - %EP Actividad 4 Realizar las mediciones y los cálculos necesarios para completar el llenado de la tabla siguiente:

Vpatrón [cm] V1[cm] V2[cm] V3[cm] V4[cm] −

V L[cm] %EP %P

b (base menor) B (base mayor) h (altura) e (espesor)

Precisión: es el valor que indica la capacidad que tiene el instrumento de medición de repetiruna misma lectura sucesivamente, cuando la cantidad que se mide no cambia

donde: VL = valor promedio de las lecturas. V+a = lectura más alejada del valor promedio de laslecturas.



Ejemplo: La expresión por medio de la cual se obtiene el volumen de una esfera es:

V = 3r34

π , donde: V = volumen de una esfera

r = radio de la esfera

donde r es la variable independiente y V es la variable dependiente, ya que sólo se puede conocer el volumen de una esfera determinada cuando se conoce su radio, es decir, el volumen de una esfera depende del radio que ésta tenga. Actividad 5 Identificar las constantes, variable independiente y variable dependiente de las expresiones matemáticas siguientes:

constante(s) variable independiente variable dependiente

- y = - x + 1

ab = b2 + 4b

V = 1/3(πr3)

Variable: literal que representa un valor numérico de una cantidad física en una expresiónmatemática.

Variable independiente: identificada con una literal que representa un valor arbitrario de unacantidad.

Variable dependiente: representada con una literal que indica una cantidad y cuyo valor dependede la cantidad numérica asignada a la variable independiente.



Práctica 3

“Elección entre dos instrumentos de medición”

Objetivos:

a) Determinar las características estáticas de ambos dinamómetros. b) Diferenciar una cantidad escalar de una vectorial. c) Obtener la sensibilidad de ambos dinamómetros.

Equipo y material:

o 2 dinamómetros o masa de 50 [g] o masa de 100 [g] o masa de 200 [g] o base de soporte universal o varilla de 70 [cm] o varilla de 20 [cm] o tornillo de sujeción

Ejemplo: [masa] = M 1 L 0 I 0 IV

0 N 0 T 0 Θ 0 = M [velocidad] = L 1 T -1 I 0 IV

0 N 0 Θ 0 M 0 = L T –1

[aceleración] = L 1 T -2 I 0 IV

0 N 0 Θ 0 M 0 = L T –2

Unidad fundamental: es aquella que se asigna a cada dimensión en el Sistema Internacional

Unidad derivada: se obtiene a partir a partir del producto o cociente de unidadesfundamentales, o de unidades fundamentales con unidades derivadas

Expresión dimensional de una cantidad física “x” es aquella que involucra alproducto de los siete símbolos de las dimensiones del SI elevadas a un exponente(positivo, negativo o nulo).



Actividad 1 Anotar las características estáticas (con unidad), identificar y escribir el tipo de unidad de la escala y deducir la expresión dimensional, para cada dinamómetro.

dinamómetro 1 dinamómetro 2

rango:

rango:

resolución:

resolución:

legibilidad:

legibilidad:

tipo de unidad: tipo de unidad:

expresión dimensional:

expresión dimensional:

Las cantidades físicas que se van a emplear en este laboratorio pueden ser: escalares: aquellas que únicamente necesitan una cantidad numérica y su(s) unidad(es). vectoriales: aquellas que requieren para su escritura: una cantidad numérica, unidad(es) y ladirección en que actúan.

Dirección de un vector: está formada por las componentes de dicho vector que concuerdan conlos ejes de coordenadas rectangulares x,y,z (hacia el lado de crecimiento de la coordenada, se

designan con ∧∧∧

k,j,i respectivamente)en el caso de este tipo de sistema de referencia.

∧

k∧

j

z

y

x∧

i

rr

= x∧

i +y∧

j+z∧

k



Actividad 2 Distinguir el tipo de cantidad física de cada renglón en la tabla siguiente:

cantidad física tipo (escalar / vector) cantidad física tipo (escalar / vector) peso volumen masa temperatura

longitud velocidad desplazamiento tiempo

aceleración fuerza Una forma de expresar la segunda ley de Newton, es:

Fr

= mar

donde: Fr

= fuerza m = masa a

v = aceleración

Se deduce, con base en el Álgebra Vectorial, que la fuerza F

r tiene la misma dirección que

la aceleración av

. Extrapolando la expresión matemática anterior se tiene: W

r = mg

r donde: W

r = peso

m = masa g

r = aceleración gravitatoria

Actividad 3 Verificar la calibración de ambos dinamómetros, y llenar la tabla sugerida con las mediciones y los cálculos necesarios, para cada dinamómetro. mp [g] W

rL [N] W

rP [N] = mp [kg] g

r [m/s2] mP [g] W

rL [N] W

rP [N] = mp [kg] g

r [m/s2]

50 50 100 100

150 150

200 200 250 250

300 300 dinamómetro 1 dinamómetro 2



donde: Wr

L = peso leído Wr

P = peso patrón y tomando en cuenta que:

Wr

P = mp gr

donde: gr

= 9.78

2sm .

El cociente de la variación de la respuesta que tiene un instrumento de medición y el cambio en la “entrada” de referencia, se llama sensibilidad y matemáticamente se puede obtener como:

donde: ∆lectura = variación en las lecturas obtenidas ∆señal real = variación en los valores reales (patrones)

Un método reconocido para la obtención de los modelos matemáticos lineales a partir de datos de una variable independiente y su variable dependiente, es el llamado Método de mínimos cuadrados o regresión lineal y las expresiones matemáticas para la obtención de la pendiente m y la ordenada al origen b del modelo gráfico correspondiente al modelo matemático son:

m( )( )

( )∑ ∑∑ ∑∑

−

−=

22ii

iiii

xxn

yxyxn

( )( ) ( )( )

( )∑ ∑∑∑∑∑

−

−=

2i

2i

iii2ii

xxn

xyxxyb

donde: y = variable dependiente m = pendiente x = variable independiente b = ordenada al origen

Curva de calibración: Es la representación gráfica que relaciona las lecturas obtenidas o suspromedios (variable dependiente) de un instrumento de medición en función de los valores patrones(variable independiente); ambas variables tienen las mismas unidades.

Como puede observarse, la inclinación (pendiente) de lacurva de calibración relaciona lecturas / señales reales(patrones) por lo que se puede concluir que: m = sensibilidad del instrumento de medición. b = error de calibración.

V L[u]

V P[u]

m

realseñal

lecturaadsensibilidS ∆

∆==



Actividad 4 Obtener la sensibilidad de ambos dinamómetros.

Sensibilidad de dinamómetro 1:

Sensibilidad de dinamómetro 2: Actividad 5 Obtener el modelo matemático de la forma W L = m Wp + b para ambos dinamómetros e identificar: variable independiente, variable dependiente y constantes.

Modelo matemático de dinamómetro 1

Modelo matemático de dinamómetro 2



Práctica 4

“Movimiento en un plano inclinado”

Objetivos:

a) Determinar las características estáticas de los instrumentos de medición empleados. b) Obtener el modelo matemático lineal del desplazamiento x de un móvil sobre un plano

inclinado un ángulo α, sin fricción, en función del tiempo transcurrido t en el movimiento. c) Obtener los modelos matemáticos del módulo de la velocidad v

r y del módulo de la

aceleración ar

del móvil, en función del tiempo. d) Obtener las gráficas del desplazamiento, velocidad y aceleración del móvil, en función

del tiempo t transcurrido en el movimiento. Equipo y material:

o flexómetro o base de soporte universal o varilla de 1 [m] o tornillo de sujeción o riel de aluminio o carrete con imán o 4 cables de conexión de 1 [m] o cronómetro digital o 2 interruptores de lengüeta (sensores)

Actividad 1 Identificar los instrumentos de medición disponibles y determinar sus características estáticas.

nombre: nombre:

rango: rango:

resolución: resolución:

legibilidad: legibilidad:



donde: Ar

r = vector de posición del punto A

Brr

= vector de posición del punto B

r∆ = desplazamiento

sumando vectores: Ar

r + r∆ = Br

r

despejando: r∆ = Brr

- Arr

Por lo tanto el desplazamiento es la cantidad vectorial que se dirige de la posición inicial a la posición final. Actividad 2 Realizar las mediciones y los cálculos necesarios para colocar un plano inclinado con un ángulo α= π / 12 [rad] (recordar que π [rad] = 180 [º]) y llenar la tabla con los datos de desplazamientos (r) y sus tiempos empleados (t).

r [m] t [s]

0.2

0.4

0.6

0.8

Posición: punto en el que se encuentra un cuerpo que puede ser considerado como una partícularespecto a un sistema de referencia.

Desplazamiento: cantidad vectorial que nos indica el cambio de posición que experimentó elcuerpo.

x

y

α

A

B r∆

Arr

x

y

r



velocidad instantánea: es el cambio de posición de un objeto con respecto al tiempo cuando

0t →∆ trv

∆∆

=r

r, la cual se puede representar con la derivada

=

sm

dtrdvr

r.

aceleración instantánea: es el cambio de velocidad de un móvil con respecto al tiempo cuando

0t →∆ tva

∆∆

=r

r, la cual se puede expresar con la derivada

= 2s

mdtvdar

r.

Movimiento rectilíneo uniforme: es aquel en que un móvil se desliza en una trayectoria recta ycon velocidad v

r que se mantiene constante.

Las ecuaciones generales de posición, velocidad y aceleración para este tipo de movimiento, enfunción del tiempo, considerando la velocidad inicial y el tiempo inicial nulos son: r = ro + vt ................posición donde. r = posición final v = constante...........velocidad ro = posición inicial a = 0.........................aceleración v = velocidad a = aceleración t = tiempo

movimiento uniformemente acelerado: es aquel en el que un móvil tiene una aceleración ar

constante (magnitud y dirección fijas). Sus ecuaciones generales, considerando tiempo inicial cero, son: r = ro + v0 t + at2/2...............posición donde: vo = velocidad inicial v = vo + at.................velocidad a = constante.............aceleración



Actividad 3 Identificar el tipo de movimiento experimentado y por medio del método de mínimos cuadrados, obtener el modelo matemático del desplazamiento r en función del tiempo.

r [m] = Actividad 4 A partir del modelo matemático experimental del desplazamiento y por medio de la aplicación del Cálculo Diferencial (derivadas), obtener el modelo matemático de la velocidad y de la aceleración del móvil.

vr

[m/s] =

ar

[m/s] =

Actividad 5 Realizar los gráficos que representen el desplazamiento, la velocidad y la aceleración del móvil que se desplazó en el plano inclinado, en función del tiempo.



Práctica 5

“Caída libre”

Objetivos:

a) Obtener el modelo matemático lineal del desplazamiento h de un balín que cae libremente, en función del cuadrado del tiempo t2.

b) Obtener el modelo matemático del módulo de la velocidad vr

del balín en función del tiempo t.

c) Obtener el modelo matemático del módulo de la aceleración ar

del balín que se desplaza con movimiento uniformemente acelerado.

d) Obtener el error de exactitud de los tiempos experimentales, con respecto al valor teórico de caída libre.

e) Comprobar el principio de conservación de la energía, para un móvil que se desplaza en caída libre.

Equipo y material:

o flexómetro o electroimán o fuente de poder o base de soporte universal o varilla de 1 [m] o 2 tornillos de sujeción

o placa de contacto o balín de acero o 6 cables de conexión de 1 [m] o cronómetro analógico o llave de Morse o diagrama de conexión



Actividad 1 Realizar las mediciones y los cálculos necesarios para llenar la tabla siguiente con los datos de desplazamientos h, tiempos empleados en el recorrido t y el tiempo elevado al cuadrado t2.

Actividad 2 Por medio del método de mínimos cuadrados, obtener el modelo matemático lineal del desplazamiento h en función del tiempo al cuadrado t2.

h[m] = Actividad 3 A partir del modelo matemático experimental del módulo del desplazamiento h en función del cuadrado del tiempo t2 , obtener el modelo matemático del módulo de la velocidad v y del módulo de la aceleración a del móvil, en función del tiempo.

v[m/s] =

a [m/s2] =

Si el valor teórico de la aceleración gravitatoria es g = 9.78 [m/s2], calcule en porcentaje, el error de exactitud de la aceleración experimental del balín, durante el movimiento en caída libre.

% EE =

h [m] t [s] t2 [s2]

0.15

0.30

0.45

0.60



Actividad 4 A partir de la expresión teórica del desplazamiento de un cuerpo en caída libre (movimiento uniformemente acelerado), calcule los valores de tiempos patrones para cada desplazamiento indicado en la tabla siguiente, y obtenga el porcentaje de error de exactitud y el porcentaje de exactitud en cada renglón.

Observe que las dos primeras columnas de la tabla contiene la información de la actividad 1.

h [m] tL [s] tP [s] % EE % E

0.15

0.30

0.45

0.60 donde: tL : tiempo leído tP : tiempo patrón

Si las condiciones iniciales son nulas (t0 = 0, v0 = 0, h0 = 0), la ecuación general deldesplazamiento de un cuerpo en caída libre queda:

2

2tgh =

Si se desea obtener el tiempo que el móvil tardaría en recorrer cierta distancia, sedespeja el tiempo de la expresión anterior, quedando:

gh

t2

=

donde. h: posición final g: aceleración gravitatoria t: tiempo de desplazamiento



Actividad 5

Comprobar la conservación de la energía, para un móvil que se desplaza en caída libre, considerando como nivel de energía potencial nula a la placa de contacto, y de energía cinética nula cuando el balín se encuentra sujeto al electroimán.

Se sugiere calcular las variaciones de energía cinética y potencial, considerando la situación inicial (balín en el electroimán) y la situación final (balín llegando a la placa de contacto).

variación de EP [J] variación de EC [J]

Resulta conveniente contar con un concepto de la cantidad física llamada energía. Energía: Es la propiedad latente o manifiesta que poseen las sustancias, debido a la cual dichas sustanciasproducen cambios en ellas o en sus alrededores. Los cambios deseables se denominan trabajo ylos cambios indeseables son destrucción.

Energía potencial: Es la energía que poseen los cuerpos, asociada a su posición dentro de un sistema de referencia ysu representación matemática es:

EP = m g h donde:

m: masa del cuerpo g: módulo de la aceleración gravitatoria h: posición del cuerpo respecto al sistema

Energía cinética: Es la energía que poseen los cuerpos, siempre y cuando se encuentren en movimiento, se puedecalcular usando la expresión matemática:

2

21 vmEC =

La energía cinética nunca es negativa y sólo es nula cuando el cuerpo está en reposo. Principio de la conservación de la energía: “La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma” Esto implica que en cualquier proceso, la energía total (la suma de la energía que se encuentrapresente en diferentes formas) es constante; en la energía mecánica EC1+EP1 = EC2+EP2 = cte.

donde: m: masa del cuerpo v: módulo de la velocidad del móvil



Práctica 6

“Propiedades de sustancias en fase sólida”

Objetivos:

a) Identificar y medir, o determinar, algunas propiedades de las sustancias en fase sólida tales como masa y volumen.

b) Conocer que las propiedades de las sustancias pueden ser extensivas o intensivas y poder distinguirlas.

c) Verificar que el valor de una propiedad intensiva, de una muestra de material, no depende de la masa de la muestra.

d) Distinguir, dentro de un conjunto de cantidades físicas, las que son de tipo escalar y aquellas que sean de carácter vectorial.

Equipo y material:

o muestras sólidas de: acero, esponja, plastilina, unicel y vidrio, con formas geométricas regulares.

o balanza. o calibrador con vernier.

Actividad 1 Dibuje la forma geométrica de cada muestra, acotando las mediciones necesarias para la determinación de su volumen y efectúe el cálculo necesario a un lado del dibujo correspondiente.

Una propiedad de una sustancia es una característica de ella que generalmente puede ser medida, directa o indirectamente, como su masa m, su peso w

r y su volumen V, o también su densidad ρ, su

peso específico γr

y su volumen específico v , por citar algunos ejemplos.

Las propiedades de las sustancias pueden clasificarse en dos tipos: extensivas propiedades intensivas Las propiedades extensivas son aquéllas cuyo valor depende de la cantidad de materia (masa) que se esté empleando, por ejemplo, el peso y el volumen. Las propiedades intensivas son aquéllas cuyo valor no cambia si el tamaño de la muestra se modifica.



Actividad 2 Con el empleo de la balanza, previamente calibrada, mida la masa de las muestras y anótelas en el cuadro siguiente, tal como se leen en la balanza; es decir en [g], posteriormente en la columna siguiente convierta las mediciones de masa a [kg]. Registre en la tabla siguiente los volúmenes de cada muestra calculados en la actividad uno, en [cm3], y finalmente tradúzcalos a [m3].

sustancia masa [g] masa [kg] volumen [cm3] volumen [m3] acero

esponja plastilina

unicel vidrio

Recuerde que: 1 [m] = 10 [dm] = 100 [cm] = 1 000 [mm], 1[m2] = 100 [dm2] = 10 000 [cm2] = 106 [mm2] 1 [m3] = 1 000 [dm3] = 1 000 000 [cm3] = 1 000 000 000 [mm3], 1[ml] = 1 [cm3]



El peso wr

de una sustancia es una propiedad y se puede medir con un dinamómetro graduado en [N]. De carecer de este instrumento, el peso se puede determinar midiendo la masa del cuerpo y multiplicándola por la aceleración gravitatoria del lugar en donde se realiza el experimento, aplicando la segunda ley de Newton

gmwrr

= …(1) si el peso de un cuerpo se divide entre el volumen que ocupa, se determina otra propiedad que se denomina peso específico γ

r; es decir:

=

3mN

volumenwr

rγ …(2)

sustituyendo (1) en (2):

gvolumen

gm rr

rργ ==

La densidad de una sustancia se obtiene con el cociente de su masa entre su volumen, es decir:

= 3mkg

volumenmasaρ

otra propiedad muy útil es el volumen específico, el cual se determina como el cociente del volumen de una sustancia entre su masa; es decir: es el volumen que ocupa cada unidad de masa

=

kgm

masavolumenv

3

resulta interesante hacer notar que por la forma en que están definidos la densidad y el volumen específicos, resultan cantidades recíprocas, es decir:

ρ1

=v

también es de utilidad la propiedad denominada densidad relativa δ que resulta del cociente de la densidad de la sustancia como se explicó en párrafos anteriores entre la densidad del agua que se

toma como referencia para las sustancias en fases sólida y líquida, como aguaρρδ = se puede concluir

que esta propiedad resulta adimensional.



Actividad 3 Con los datos de masas y volúmenes obtenidos en la actividad 2, determinar las propiedades que se indican en la tabla siguiente de acuerdo con las definiciones presentadas

sustancia [ ]Nwr

3mNγ

r

3mkg

ρ

kgmv

3

[ ]1δ

Actividad 4 Realice las mediciones y los cálculos necesarios para dos muestras de diferente tamaño pero del mismo material, y complete el llenado de las tablas siguientes:

sustancia m [kg] volumen

[m3] [ ]Nwr

3mkg

ρ

3mNγ

r

kgmv

3

[ ]1δ

esponja esponja

sustancia m [kg] volumen

[m3] [ ]Nwr

3mkg

ρ

3mNγ

r

kgmv

3

[ ]1δ

unicel unicel

Actividad 5 Aplicando los conocimientos adquiridos en esta práctica, efectúe una lista de cinco propiedades extensivas y cinco propiedades intensivas, incluyendo sus unidades y sus expresiones dimensionales en el SI.

propiedades extensivas [unidades] expresión dimensional

propiedades intensivas [unidades] expresión dimensional



Práctica 7

“Propiedades de sustancias en fase líquida”

Objetivos:

a) Identificar y medir, o determinar, algunas propiedades de las sustancias en fase líquida tales como masa y volumen.

b) Identificar en sustancias en fase líquida, algunas propiedades extensivas e intensivas. c) Verificar que el valor de una propiedad extensiva sí depende de la cantidad de materia

de la muestra, y que para una propiedad intensiva, su valor no depende de la cantidad de materia.

d) Distinguir dentro de un conjunto de cantidades físicas, las que son de tipo escalar y aquellas que sean de carácter vectorial.

Equipo y material:

o muestras líquidas de: aceite, glicerina, mercurio y petróleo diáfano. o 1 vaso de precipitados de 50[ml] o 2 jeringas, sin aguja, de 10[ml] o 1 balanza o 1 par de guantes quirúrgicos (proporcionados por los alumnos de cada mesa).

Actividad 1 Con el empleo de la balanza, debidamente calibrada, mida las masas de las muestras y anótelas, en la unidad en que se miden en la balanza, en la tabla siguiente. Cabe aclarar que para determinar la masa de una muestra líquida de sustancia, conviene medir la masa del recipiente con la sustancia en su interior y, por diferencia, restándole a dicha medición el valor de masa del recipiente vacío, se obtiene la masa del líquido. Las muestras del líquido que se proporcionan en frasco cerrado, no se deben destapar, ya que la información necesaria se proporciona en la etiqueta (masa del recipiente, volumen de la sustancia y nombre de la misma). sustancia (mr+ms) [g] mr [g] ms [g] ms [kg] V [ml] V [m3] aceite agua glicerina mercurio petróleo diáfano

Donde: mr = masa del recipiente y ms = masa de la sustancia



En la tabla anterior se debe anotar el volumen de cada una de las muestras. En el caso del agua y del mercurio, utilice una jeringa para cada una de ellas y escoja un valor de volumen al gusto. Actividad 2 Para estas dos sustancias (agua y mercurio) realizar tres mediciones de masas y de volúmenes, para cada una de ellas y concentrar los datos obtenidos en las tablas siguientes. Posteriormente calcular la densidad de cada renglón y la densidad promedio, en unidades del S.I. agua:

masa [g] masa [kg] volumen [ml] volumen [m3] ρ [kg/m3]

=aguaρ [kg/m3] mercurio:

masa [g] masa [kg] volumen [ml] volumen [m3] ρ [kg/m3]

=Hgρ [kg/m3] Actividad 3 Concluya con respecto al tipo de propiedad que resulta la densidad.



Actividad 4 Empleando las definiciones estudiadas en la práctica anterior, llene la tabla siguiente con los cálculos necesarios y con los resultados obtenidos en esta práctica.

sustancia densidad ρ [kg / m3]

densidad relativa δ [1]

peso específico γ [N / m3]

volumen específico V [m3 / kg]

aceite

agua

glicerina

mercurio

petróleo diáfano

Actividad 5 Con los conocimientos adquiridos en ésta y la práctica anterior, clasifique a las cantidades físicas siguientes, escribiendo una “E” si la propiedad es extensiva o una ”I” si es intensiva en el paréntesis correspondiente.

temperatura ( ) presión ( ) masa ( ) densidad ( ) peso específico ( ) volumen ( ) volumen específico ( ) densidad relativa ( ) energía ( ) peso ( )



Práctica 8

“El manómetro”

Objetivos:

e) Determinar el modelo gráfico y el modelo matemático de la presión manométrica “Pman”

en función de la profundidad “p” en un fluido homogéneo, en reposo. f) Deducir a partir del modelo matemático anterior, la densidad y el módulo del peso

específico del fluido empleado. g) Concluir respecto a la validez de la ecuación del gradiente de presión y en relación con

la naturaleza intensiva de la propiedad denominada presión. Equipo y material:

o manómetro diferencial o recipiente de base cuadrada o vaso de precipitados de 600 [ml] o cinta métrica

Las sustancias, en general, pueden dividirse en dos: sólidos y fluidos. Los fluidos están formados por los líquidos y los gases. Para estas sustancias se tiene unapropiedad de mucha importancia denominada: presión P. Esta magnitud, de carácter escalar secuantifica como el cociente de la fuerza normal “F⊥”, a la superficie que contiene el fluido, y elárea “A“ en que actúa dicha fuerza; es decir:

= ⊥

2mN

AF

P ; pascalPamN

==2

como [ ]2222

1smkg

msmkg

mNP u

⋅=

⋅⋅=

=

entonces, la expresión dimensional de P es [ ] 212

−−== TMLLTMP

Al cociente de la fuerza perpendicular que actúa sobre una superficie en un sólido, se ledenomina esfuerzo y se puede concluir que esta cantidad tiene las mismas unidades ydimensiones que la presión.

El instrumento que mide la presión, comparativamente con la presión del entorno, que lamayoría de las veces es la presión atmosférica, se denomina manómetro y su versión másdidáctica es el manómetro diferencial o de tubo en U.



Actividad 1 Identifique y registre las características estáticas del manómetro proporcionado, con las unidades correspondientes con el SI. rango resolución legibilidad porque

Actividad 2 Introduciendo el sensor del manómetro como lo indica el diagrama, mida la presión manométrica “Pman” para cada profundidad “y” indicada en la tabla siguiente; efectúe tres conjuntos de mediciones, procediendo en forma de zigzag. Al medir se debe de tomar la lectura en la base del menisco ∪ del fluido del manómetro.

y [cm] y [m] Pman1 [Pa] Pman2 [Pa] Pman3 [Pa] P man [Pa] 0

3

6

9



Actividad 3 Localice en la gráfica siguiente los puntos de las profundidades indicadas en la actividad anterior con su presión manométrica cada uno.

Como el manómetro mide, por ejemplo, la presión P de un gas de un tanque comparándola con lapresión de la atmósfera , como lo muestra la figura (a). Al desear medir la presión atmosférica con un manómetro, nos va a resultar una lectura nula,como en la figura (b); por esta razón se afirma que la Pman de la atmósfera es cero. Si ahora obstruimos la manguera del manómetro en el punto A, ver figura (c), y sin permitir elpaso de aire en sentido alguno se recorren los dedos al punto B, el manómetro registrará unapresión de vacío (una presión menor a la de la atmósfera) a estas presiones manométricas negativasse les denomina presiones vacuométricas.



Actividad 4 Con la aplicación del método de “mínimos cuadrados”, obtenga la ecuación de la mejor recta que se aproxime a los puntos experimentales de la actividad anterior, no olvide indicar las unidades, en el SI, de cada término.

Pman[ ] =

Actividad 5 Con la aplicación de la ecuación del gradiente de presión obtenida y con el modelo matemático de la actividad 4, obtenga lo que se pide para el fluido empleado en la actividad 2, sin olvidar las unidades en el SI.

a) el módulo del peso específico γ γ =

b) la densidad ρ

ρ =

c) la densidad relativa δ =

d) el volumen específico

υ =

De un análisis de fuerzas para un elemento de volumen, dentro de un fluido estático, condensidad ρ, se obtiene la ecuación del gradiente de presión que nos relaciona la Pman con lasprofundidades dentro del fluido, la cual resulta:

gdydP ρ= ; g = aceleración gravitatoria



Práctica 9

“El barómetro” Objetivos:

a) Construir un barómetro con mercurio, como el empleado por Evangelista Torricelli. b) Medir la presión atmosférica local, a través del experimento de Torricelli. c) Aplicar la relación que existe entre presiones absoluta, manométrica y atmosférica

Equipo y materiales:

o 1 tubo de vidrio de Ø ≥ 6 [mm], l > 60 [cm], sellado en un extremo. o 630 [g] de mercurio o 1 cápsula de porcelana o 1 jeringa o 1 flexómetro o 1 par de guantes quirúrgicos

Actividad 1 Para construir un barómetro como el inventado por Torricelli, realizaremos la secuencia siguiente:

a) Llenar el tubo de vidrio sellado, con el mercurio, ayudados de la jeringa. Para evitar que el tubo se rompa, realizar el llenado inclinándolo para que el mercurio escurra por las paredes.

b) Evitar que quede aire atrapado en forma de burbujas, porque este aire causa falta de exactitud en la lectura de la altura barométrica.

c) Al completar el llenado del tubo verter en la cápsula de porcelana todo el mercurio restante. Para mayor estabilidad de la cápsula, coloque debajo de ella la tapa del frasco para asegurarla.

d) Obstruir la boca del tubo con el mercurio e invertirlo, en posición vertical, destapar el tubo dentro del mercurio de la cápsula.

e) Observar que el tubo se vacía parcialmente, pero se estabiliza a una altura medida desde el menisco del mercurio ( ∩ ) que está fuera del tubo hasta el menisco en el interior del tubo, dicha altura se conoce como altura barométrica “hbar”.

Actividad 2 Anotar los comentarios que puedan haber surgido de la construcción anterior. . . .

Para medir la presión de un gas, como la atmósfera, no resulta útil el manómetro, pero existe unmedidor que compara la presión de dicho gas con la presión existente en una zona al vacío, es decircon la presión cero. Este instrumento se denomina barómetro.



Actividad 3 Mida la longitud “l” del mercurio en el tubo de vidrio para los valores del ángulo α indicados en la tabla, obsérvese que el ángulo α es el formado por la horizontal y el eje del tubo; determine para cada renglón el valor de la altura barométrica, hbar. α [o] l [m] hbar. [m] 75 o 80 o 85 o 90 o Actividad 4 Determine la altura barométrica más representativa de las mediciones efectuadas.

___________ [m]

Actividad 5 Aplicando la ecuación del gradiente de presión entre los puntos 1 Y 2, determine la presión atmosférica local.

P1 - P2 = - ρHg g (z1-z2)

=barh

z

z1=0

h bar



Práctica 10

“Calor sensible” Objetivos:

d) Comprender y formar los conceptos, a partir de cuestiones objetivas, sobre temperatura, energía en forma de calor, energía interna, potencia (rapidez de disipación de energía) y sus unidades en el SI.

e) Descubrir la relación entre la energía en forma de calor “Q” que recibe una sustancia y el cambio de temperatura “∆T” que experimenta si su masa “m” se mantiene constante.

f) Descubrir la relación entre energía en forma de calor “Q” que recibe una sustancia y su cantidad de masa “m” cuando el cambio en su temperatura ∆T se mantiene fijo.

Equipo y material:

o 1 balanza con un rango de 0 a 610 [g] o 1 cronómetro digital o 1 parrilla eléctrica: Corning de 575 [W] o 2 termómetros de –10 a 110 [ºC] o 2 vasos de precipitados de diferentes volúmenes o 1 vaso de precipitados de 600 [ml] o 1 jeringa

Actividad 1 Vierta agua de la tubería en el vaso de 600 [ml], aproximadamente a la mitad; separe en cada vaso de precipitados restantes una masa diferente: 20 y 40 gramos. Mida la temperatura en cada uno de los tres recipientes.

T1= ______ [ºC]; T2= ______ [ºC]; y T3= ______ [ºC]

en m1 = 20 [g] en m2 = 40 [g] en masa m (residuo) Con base en estas mediciones, concluya respecto a qué tipo de propiedad es la temperatura (extensiva o intensiva) y explique por qué.

La temperatura es una propiedad de las sustancias que empírica y cotidianamente asociamos con lo“caliente” o “fría” que esta una sustancia. Es una propiedad básica e importante porque varias otras propiedades de la sustancia son funcionesde la temperatura. La temperatura que se mide con un termómetro, por ejemplo, de mercurio recibe el nombre detemperatura empírica porque el instrumento de medición fue graduado de acuerdo con dos experienciasde laboratorio: punto de fusión del agua (0[ºC]) y el punto de ebullición del agua (100[ºC]), al nivel delmar.



Es posible expresar una temperatura empírica en la escala termodinámica agregándole 273.5 a dicha temperatura; es decir:

15.273TTCK o +=

Cabe hacer notar que los incrementos en la temperatura de una sustancia se pueden medir en la escala empírica o en la escala absoluta, pero resulta que en ambas tienen el mismo valor, esto es:

Actividad 2 Efectúe las conversiones indicadas a continuación:

Tamb = -10 [oC] = [K] Tfusión = 0 [oC] = [K]

Tebull = 100 [oC] = [K] ∆T = 5 [oC] = [K] ∆T = 185 [oC] = [K]

Para un lapso finito [ ]st∆ , la energía en forma de calor “Q” suministrada se puede calcular con:

Q = Pot ∆t Esta energía en tránsito incrementará la energía que es una propiedad de la sustancia, es decir la energía interna U siempre y cuando la sustancia se encuentre estacionaria (∆EC = 0 y ∆EP = 0).

La temperatura termodinámica o temperatura absoluta tiene su base conceptual en la segunda ley dela Termodinámica; esta cantidad física es una de las dimensiones o cantidades de base del SistemaInternacional de Unidades (SI), su unidad fundamental es el kelvin (K) y su expresión dimensional es[Θ].

KCTTo ∆=∆

En Física, el concepto de potencia, “Pot”, nos indica la rapidez con que se realiza un trabajo, es decir:

dtdWPot = , donde W = trabajo

y t = tiempo Este concepto también se emplea para referirnos a la rapidez con que se le entrega o se le retiraenergía, a una sustancia, en forma de calor “Q”, matemáticamente:

;dtdQPot = [ ] 32

22

u TMLTTMLPot −

−

==



Actividad 3 Colocar sobre la platina de la parrilla eléctrica los vasos de 50 [ml] con las masas m1 = 20 [g] y m2 = 40 [g] medidas anteriormente. Encender la parrilla en t = 0 [s] y con la potencia al máximo, por medio de los termómetros y con el cronómetro medir y anotar el lapso, en segundos, en que cada masa m alcanza un ∆t = 5 oC en su temperatura:

m1 = 20 [g] cuando ∆T = 5 [oC] ∆t1 = ______ [s] Q1 = 575 [W] ∆t1[s] Q1 = ________ [J]

m2 = 40 [g] cuando ∆T = 5 [oC] ∆t2 = ______ [s] Q2 = 575 [W] ∆t1[s] Q2 = ________ [J]

Nota: Apague la parrilla después de las mediciones. Concluir respecto a la relación entre la energía en forma de calor “Q” y la cantidad de masa “m” cuando se provoca la misma variación de temperatura ∆T a dos masas diferentes:

¿Q α m? sí ( ), no( ); ¿Q α ?m1 sí ( ), no( );

Actividad 4 Verter en cada vaso (de diferente volumen) una masa de agua nueva de 30 [g], a la temperatura de la tubería. Colocar en la parrilla eléctrica los vasos anteriores y encenderla en t0 = 0 [s], y con la potencia al máximo, con los termómetros y el cronómetro medir un incremento ∆T1 = 5 [oC] y en el lapso en el que se alcanzó, para la primera masa de agua y de ∆T2 = 10 [oC] para la segunda masa sin olvidar el lapso en que se alcanzó. m1 = 30 [g] ∆T1 = 5 [oC] ∆t1 = ______ [s] Q1 = 575 [W] ∆t1[s] Q1 = ________ [J]

m2 = 30 [g] cuando ∆T2 = 10 [oC] ∆t2 = ______ [s] Q2 = 575 [W] ∆t2[s] Q2 = ________ [J]

m1 m2

m1 m2



Nota: Apague la parrilla después de las mediciones. Concluir respecto a la relación entre la energía en forma de calor “Q” y la variación de temperatura “∆T” que se le causó a la sustancia cuando la masa “m” de la sustancia se mantuvo fija.

¿Q α ∆T? sí ( ), no( ); ¿Q α ?T1

∆ sí ( ), no( );

Actividad 5 Encuentre las unidades del SI en que se mide “c”. Determine la expresión dimensional de “c” en el SI.

Combinando las relaciones de proporcionalidad:

Q α m Q α ∆T

se obtiene: Q α m ∆T si se introduce una cantidad que siendo propiedad de la sustancia nos permite establecer unaecuación, se logra que:

Q = m c ∆T A la cantidad “c” se le conoce como capacidad térmica específica (incorrectamente llamada calor específico).



Práctica 11

“Calor latente” Objetivos:

a) Cuantificar la energía necesaria para que la unidad de masa de agua en fase sólida, a la temperatura de fusión, cambie a la fase líquida, manteniendo su temperatura y a presión constante.

b) Identificar el término calor latente de fusión de una sustancia pura, en este caso agua. Concluir respecto a sus unidades y dimensiones en el SI.

Equipo y material:

o 1 termómetro de inmersión o 1 balanza de 610 [g] o 1 vaso de precipitados de 250 [ml] o agua líquida ml = 6 mh o 1 cubito de hielo de mh =_____ [g]

Para el profesor: 1 termómetro de inmersión 1 resistencia de inmersión 1 vaso grande de unicel con tapa 1 hielera

El agua, compuesto vital en nuestro planeta, puede encontrarse en tres formas diferentes en lanaturaleza; dichas formas reciben el nombre de fases: sólida, líquida y gaseosa. En cada fase estasustancia se denomina de manera especial: hielo, agua y vapor, respectivamente. Experimental ynaturalmente es posible que una masa de hielo cambie de fase, inclusive para llegar a vapor, tododepende de la energía que reciba, sobre todo en forma de calor Q. A la presión atmosférica en que vivimos, existe un valor de temperatura a la cual el hielo se funde ycambia a la fase líquida (temperatura de fusión) y ya en fase líquida, el agua, al alcanzar otratemperatura especial denominada de ebullición, cambia a vapor (fase gaseosa). Lo anterior se logra con una cantidad de energía “Q” que dependerá del tamaño de la masa m quese desea cambie de fase:

Q α m

Existe una propiedad de cada sustancia conocida como calor latente λ o calor de transformación, eneste caso de fusión λf, cuyo valor sirve para relacionar a Q con m; es decir:

Q = mλf

Debe ser claro que las unidades de λf son

kgJ

Se entiende por sistema termodinámico , la porción del universo que nos interesa estudiar y en elcual cuantificamos algunas de las propiedades de las sustancias que lo componen. Los sistemas termodinámicos pueden ser de uno de los tres tipos siguientes:

a) abierto: permite el paso de energía y de masa, a través de su frontera. b) cerrado: sólo permite el paso de energía a través de su frontera. c) aislado: no permite el paso de masa ni de energía a través de su frontera.



Actividad 1

Si las unidades de calor latente de fusión λf, en el SI, son

kgJ , la expresión dimensional de

λf es:

[λf] = ____________ Actividad 2 Registre la temperatura inicial de los trozos de hielo contenidos en la hielera del grupo:

hinicT = _______________ [oC] y como temperatura absoluta hinicT = ______________ [K] Actividad 3 Tome un cubo de hielo, mida su masa y registre este valor.

mhielo = ____________ [kg] Triture su masa de hielo y mézclela con una masa de agua de la llave que sea seis veces la masa del hielo. Anote el valor de esta masa y el de su temperatura inicial.Tinic h. Para favorecer la exactitud de las propiedades por cuantificar, realice la mezcla en un calorímetro. Un calorímetro es un dispositivo experimental que no permite el paso de energía, en forma de calor, a través de su pared (denominada adiabática). Además se debe colocar un termómetro que nos permitirá medir la temperatura de equilibrio de la mezcla, como se muestra en la figura siguiente:

Actividad 4 Registre la temperatura de equilibrio T, alcanzada por la mezcla y el lapso en que se alcanzó.

T= [ºC] y ∆t= [s]

masahielo= ______________ [kg]

hinicT = ______________ [ºC]

masaagua= ______________ [kg]

Tinic_agua= ______________ [ºC]

termómetro tapa

mezcla de hielo con agua

calorímetro



Nuestro calorímetro se comporta como un sistema termodinámico aislado, y por lo tanto en él: 0Q =∑ , 0W =∑ y 0E =∆ Pero en el interior, existen intercambios energéticos que se pueden cuantificar con

,0Q =∑ como sigue: 0QQQQ aguaaguacambioh =+++ ↓↑ ...(1)

En la cual: • hQ es la energía que requirió el hielo para elevar su temperatura desde la inicial (T<0) hasta la temperatura de fusión que para el agua es de cero grados Celsius; es decir:

( )hinichhh T0cmQ −= ...(2)

ch es la capacidad térmica específica del hielo. • cambioQ es la energía que requiere la masa de hielo, a 0[ºC] para cambiar de fase (fundirse) y quedar toda como agua líquida a 0[ºC], esto es:

fhcambio mQ λ= ...(3) λf es el calor latente de fusión. • ↑aguaQ es la energía que el agua líquida proveniente del cambio de fase, requirió para llegar a la temperatura de equilibrio T habiendo iniciado este incremento desde T0 = 0[ºC], algebraicamente:

( )0TcmQ aguahagua −=↑ ...........(4)

• ↓aguaQ es la energía en forma de calor que la masa m (=6mh) de agua líquida original tuvo que ceder para disminuir su temperatura desde Tinic agua hasta la temperatura de equilibrio T; es decir:

( ),TTmcQ agua_inicaguaagua −=↓ .........(5) Notar que T<Tinic_agua, ∴ ↓aguaQ <0

Un principio fundamental en la Física es el de Conservación de la energía. En el contexto de latermodinámica, este principio toma la forma particular de Primera ley de la Termodinámica:

EWQ ∆=+ ∑∑ En dicha expresión, cada término significa lo siguiente: ΣQ es la suma algebraica de las energías en forma de calor que recibe el sistema que es de nuestrointerés. ΣW es la suma algebraica de las energías en forma de trabajo que recibe el sistema bajo estudio y ∆Εes la variación de energía que experimenta nuestro sistema; este término está formado por lasvariaciones de energía: potencial, cinética e interna:

∆Ε = ∆EP + ∆EC + ∆U Para un sistema estacionario ∆EP y ∆EC son nulas.



Si contamos con la información siguiente:

∆⋅

=Kkg

J2260chielo

∆⋅

=Kkg

J4186c agua

podemos calcular las energías en forma de calor de las ecuaciones (2),(4) y (5), y la ecuación (3) quedaría en función del calor latente de fusión λf. Actividad 5 Concentre sus resultados en el espacio siguiente:

hQ =

cambioQ =

↑aguaQ =

↓aguaQ =

por lo tanto λf (exp) ________________

kgJ

Actividad 6

Si consultamos los libros y encontramos que λf = 334

kgkJ , el cual consideraremos como

valor patrón, calcule el error de exactitud y la exactitud del valor determinado experimentalmente.

λf (exp)=

kgJ λf (patrón)=

kgJ

%EE= %E=

Al sustituir los resultados obtenidos en la ecuación 1, podemos cuantificar el calor latente de fusión λf.



Práctica 12

“Carga eléctrica” Objetivos:

a) Comprender y formarse el concepto de carga eléctrica, a partir de experimentos. b) Conocer el principio de funcionamiento de un electroscopio. c) Descubrir e identificar los tipos de carga eléctrica que existen, aplicando la convención

de Benjamín Franklin. Equipo y material:

o 2 bases de soporte universal o 2 varillas de 1 [m] o 1 tira de polietileno de 50 [cm] por 3 [cm] aproximadamente o 1 cordón de 2 [m] aproximadamente o barras cilíndricas de vidrio, ebonita, acrílico, PVC y nylon o frotadores: piel de conejo, seda y franela

Actividad 1 Anotar y esquematizar las interacciones (atracciones o repulsiones) entre cargas eléctricas estáticas Actividad 2 Con ayuda de las bases de soporte universal, las varillas y el cordón, armar un electroscopio. Frotar la tira de polietileno con la franela y colocar las caras frotadas frente a frente sobre el cordón. Observar el efecto de la presencia de carga eléctrica en la tira de plástico y anotar sus observaciones.

Carga eléctrica: es una propiedad fundamental de la materia que permite producir y experimentar interacciones (fuerzas eléctricas y magnéticas). Hay de dos tipos: positiva (como la de los protones) y negativa (como la de los electrones) asociada a la carencia o exceso de electrones, respectivamente. En el SI se mide en coulomb = [C].

Electroscopio. Dispositivo que permite detectar la presencia de carga eléctrica.



Actividad 3 De acuerdo con la convención de Benjamín Franklin, anotar en los diagramas siguientes el nombre de los materiales y los signos de las cargas correspondientes, después del proceso de frotamiento.

Actividad 4 De acuerdo con la actividad 1 y la anterior, identificar el tipo de carga eléctrica que se tiene en la tira de polietileno colocada en el cordón del electroscopio. Carga de la tira de plástico (polietileno): ______________________ Actividad 5 Utilizando el electroscopio y apoyándose en la actividad anterior, frotar cada barra con cada uno de los materiales disponibles, acercar la barra con carga eléctrica a los extremos de la tira de polietileno y sin tocarla, concluir el signo de la carga de ésta; registrar los resultados en la tabla siguiente:

barra frotador vidrio ebonita acrílico PVC nylon

franela piel −

seda + Anotar (+ o – ) según sea el exceso de carga eléctrica de la barra después de frotarse con cada material. Se sugiere rodar con cuidado las barras después de ser frotadas, sobre la cubierta metálica de la tarja, con la finalidad de neutralizar el exceso de carga que pudo haber quedado en ellas para evitar juicios erróneos.



Práctica 13

“Corriente eléctrica y ley de Ohm”

Objetivos:

a) Comprender los conceptos de corriente eléctrica y diferencia de potencial eléctrica. b) Obtener los modelos gráfico y matemático de la diferencia de potencial entre los

extremos de un resistor, en función de la corriente eléctrica que circula por dicho elemento.

c) Obtener la exactitud en el valor experimental de un resistor tomando como valor patrón el dado por el fabricante.

Equipo y material:

o 1 fuente de poder de 0 a 40 [V] con amperímetro digital integrado. o 1 voltímetro analógico de 0 a 50 [V] o 6 cables de conexión cortos de 45 [cm] o 1 resistor de alambre. o 2 nodos de conexión.

Corriente eléctrica i, es una cantidad física escalar que representa la cantidad de carga q, que circula por un elemento, en un lapso de una unidad de tiempo; es decir:

i =

sC

dtdq , [ ]A

sC

=

Diferencia de potencial (entre dos puntos), es el trabajo W que realiza un agente para trasladar una unidad de carga q, de uno de los puntos al otro, dentro de un campo eléctrico, dividido entre el valor de la carga; es decir:

Vab =

CJ

qWab , V

CJ

=

Actividad 1 Con ayuda del diagrama que sigue, armar el circuito eléctrico. Considerar que el resistor no tiene polaridad.



Actividad 2 Con ayuda del voltímetro medir la diferencia de potencial (voltaje) entre los puntos a y b; es decir, la que se aplique al resistor. La corriente eléctrica se deberá medir en el amperímetro digital de la carátula de la fuente de poder. Con las mediciones llenar la tabla que se muestra.

I [A] Vab [V] 0 0

0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

Actividad 3 Con base en los datos de la tabla anterior y con ayuda de un par de escuadras, trace la gráfica que relaciona a la diferencia de potencial Vab en función de la corriente eléctrica I. No olvide acotar los ejes y las unidades correspondientes.



Actividad 4 Con el método de mínimos cuadrados, obtenga el modelo matemático que representa la gráfica anterior. No olvide las unidades de cada término. Modelo matemático: ________________________________________________________

Ley de Ohm. La diferencia de potencial Vab aplicada a un medio conductor homogéneo es directamente proporcional a la corriente eléctrica I que circula en él; es decir Vab = R I donde R = resistencia, la cual se mide en ohm = [Ω] (en el SI).

Actividad 5 Con base en la actividad 4 y la ley de Ohm, deduzca el significado físico de la pendiente del modelo matemático. Calcule también el porcentaje de error de exactitud para el valor del resistor utilizado, tomando como valor patrón el que indica el fabricante. Significado físico de la pendiente del modelo matemático: ____________________ Porcentaje de error de exactitud : _____________________ Porcentaje de exactitud : _____________________



Práctica 14

“Campo magnético”

Objetivos:

a) Identificar y comprender el concepto de campo magnético. b) Comprender el principio de funcionamiento de una brújula. c) Analizar las líneas de campo magnético que genera un imán. d) Aprender a medir la masa de un objeto con ayuda de la balanza con vernier. e) Aplicar el producto vectorial de dos vectores.

Actividad 1 El siguiente esquema representa un imán en forma de barra. Escribir los nombres de sus polos y trazar algunas de las líneas de campo magnético que genera. Actividad 2 Con la ayuda de la brújula identificar el polo norte geográfico de la Tierra, así como los polos magnéticos de los imanes que se le proporcionaron. Haga un esquema para cada imán, así como otro esquema donde se aprecien los polos magnéticos de nuestro planeta.

Equipo y material:

o 1conjunto de imanes permanentes o 1 balanza de 0 a 310 [g] con vernier o 1 brújula o 1 caja pequeña transparente con

limadura de hierro o 1 imán de barra

Para el profesor:

o 1 caja grande con limadura de hierro o 1 imán permanente en forma de

herradura

polo polo

Campo magnético: Es la región que rodea a un imán o a un conductor cuando circula corriente

eléctrica en él. Se representa por el vector B. En el SI se mide en [tesla] = [T] =

⋅ mAN .

Su efecto se puede apreciar porque desvía la orientación natural de una brújula.



Actividad 3 Con la caja grande de limaduras de hierro, observar las líneas de campo magnético que genera el imán en forma de herradura. Hacer un esquema.

Actividad 4 Con ayuda de los imanes disponibles, enunciar la “ley” básica referente a las interacciones (fuerzas) entre los polos magnéticos. __________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

Actividad 5 Medir la masa del conjunto de imanes permanentes proporcionado, utilizando la balanza con vernier.

mimán = ____________________ [g] = ___________________ [kg] Actividad 6 Para los siguientes esquemas que representan dos vectores a y b que se encuentran contenidos en el plano de esta hoja, dibuje el vector resultante al hacer el producto vectorial. i) a x b

ii) b x a

a

b

a

b



Práctica 15

“Movimiento ondulatorio”

Objetivos: d) Estructurar el concepto de onda, a través de experimentos de laboratorio. e) Identificar la amplitud A, la longitud de onda λ, la frecuencia f y el periodo τ en una onda

armónica. f) Conocer y observar las ondas estacionarias y los diferentes modos de vibración. g) Obtener los modelos gráficos de la longitud de onda en función de la frecuencia y de la

longitud de onda en función del periodo. h) Obtener el modelo matemático de la longitud de onda en función del periodo en el

movimiento ondulatorio observado. i) Obtener la rapidez de propagación de las ondas del inciso anterior.

Patrón de onda estacionaria. Cuando tenemos una sucesión de ondas armónicas, de manera que lleguen a un punto fijo, se reflejen y se superpongan tanto la onda incidente como la onda reflejada, se forma un patrón de onda que se le llama estacionaria.

Fig 1

Equipo y material:

o generador de señales o 2 cables de conexión de 1 [m] o 2 bases universales o 2 varillas de 1[m] o varilla de 20 [cm] o varilla de 1.5 [m] o impulsor de ondas

o 3 tornillos de sujeción o cuerda de longitud ≥ 2 [m] o juego de masas: 1 de 100 [g] y 1 de 50 [g] o 1 flexómetro o luz estroboscópica (uso del profesor)

Onda es una perturbación en un medio por la cual se transmite energía, pero no masa.



Actividad 1 Arme el dispositivo que se ilustra y haga los ajustes necesarios para obtener un patrón de ondas estacionarias como el que se muestra, con la amplitud de la onda máxima y de manera que la longitud l sea de 1 [m]. Actividad 2 Con base en el arreglo armado, mida la distancia d entre dos nodos consecutivos y la amplitud A de las ondas, para el patrón del modo 2. d = ______________ [m] ; A = __________________ [m] Longitud de onda λ. Es la distancia más corta que recorre una onda completa, se define también como la distancia entre dos crestas o entre dos valles de una onda. Esta cantidad física se puede obtener a partir del modo de vibración, según la expresión:

λ = n2l

, también se puede observar que λ = 2d

Nodo. Punto de intersección entre las dos ondas. Se caracteriza porque en esos puntos lacuerda permanece en su posición de equilibrio. El modo de vibración n del patrón de ondasestacionarias, corresponde al número de lóbulos o antinodos (espacio entre dos nodosconsecutivos) que se forman en el patrón observado; en la figura se observa que n=2; es decir,modo 2.



Frecuencia f. Es el número de oscilaciones que efectúa una onda, en cada unidad de tiempo. En el SI, se mide en: ciclo / segundo = [s- 1] = [hertz] = [Hz]. Periodo τ. Es el tiempo que emplea una oscilación completa en ocurrir; es decir, se calcula como:

τ = f1 [τ]u = [s]

Como τ corresponde a un lapso, en el SI, se mide en segundos. Rapidez de propagación “v” de la onda . Considerando que la rapidez de propagación es constante, ésta se puede calcular como:

v = τλ o bien: v = f λ

Actividad 3 Determine la longitud de onda, la frecuencia, el periodo y la rapidez de las ondas generadas, para el modo n=2, de la figura 2. λ = _______________________ [m] f = _______________________ [Hz]

τ = _______________________ [s]

v = _______________________ [m/s] Actividad 4 Modifique la frecuencia de manera que se generen varios patrones de onda estacionaria, como se ilustra en la figura 3 y complete la tabla.

n d [m] λ [m] f [Hz] τ [s] v [m/s] 1 2 3 4 5 6

Fig. 3



Actividad 5 Elabore una gráfica de la longitud de onda en función de la frecuencia. Identifique y escriba el nombre del tipo de curva que resulta. Tipo de curva: ______________________ Actividad 6 Elabore una gráfica de la longitud de onda en función del periodo. Escriba qué tipo de curva resulta y si es lineal o no, determine el modelo matemático con ayuda del método de mínimos cuadrados. Tipo de curva: ______________________ Modelo matemático: _________________

Actividad 7 Anote el significado físico de la pendiente del modelo matemático anterior y con ello determine la rapidez de propagación de las ondas. m = _____________________________ v = __________________________ [m/s] Actividad 8 Establezca cualquier modo de vibración de manera que la amplitud de la onda sea lo más grande posible. Con ayuda de su profesor acerque la luz estroboscópica y observe el fenómeno cuando la frecuencia de la luz coincide con la frecuencia del generador de señales. En las líneas siguientes anote las conclusiones de esta experiencia. Conclusiones: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Práctica 1 “Características estáticas de instrumentos de...

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