MANUAL DE PRÁCTICAS FÍSICA - Página de CECYTE Coahuila
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EQUIPAMIENTO CIENTÍFICO Y TECNOLÓGICO PARA ESCUELAS.<br />
LABORÁTORIO DIDACTICO MÓVIL<br />
<strong>MANUAL</strong> <strong>DE</strong> <strong>PRÁCTICAS</strong><br />
<strong>FÍSICA</strong><br />
W W W. D E D U T E L . C O M . M X<br />
R<br />
Desarrollo en Educación Tecnológica
PRESENTACIÓN<br />
Comprometido con la educación, buscando su formación integral, el Cuerpo<br />
Técnico <strong>de</strong> el Laboratorio Didáctico Móvil, estructuró el Manual, en sus aspectos<br />
generales, en relación a los textos y aspectos visuales, con el intuito <strong>de</strong> estimular<br />
al alumno en su capacidad inherente <strong>de</strong> creatividad, discernimiento, construcción,<br />
reconstrucción, organización <strong>de</strong>l conocimiento interno y externo, mas respetando<br />
las limitaciones <strong>de</strong> cada uno.<br />
Buscó mantener la coherencia con el mo<strong>de</strong>lo educacional vigente, motivando al<br />
alumno para la reflexión <strong>de</strong> su proceso <strong>de</strong> <strong>de</strong>sarrollo y su formación futura,<br />
formando un individuo crítico, comprometido con los cambios, reelaborando sus<br />
valores y creencias, respetando a los <strong>de</strong>más individuos y preservando el medio en<br />
el que vive.<br />
Para tanto, hizo adaptaciones <strong>de</strong> las experiencias clásicas para el uso en el<br />
Laboratorio Didáctico Móvil, que son <strong>de</strong> fácil ejecución y seguras, permitiendo al<br />
profesor una mayor flexibilidad, <strong>de</strong> acuerdo con la realidad <strong>de</strong> cada escuela.
INDICE<br />
NOMBRE <strong>DE</strong> LA PRACTICA PAGINA<br />
Medición <strong>de</strong> la longitud con cinta métrica y pie <strong>de</strong> rey 1<br />
Volumen <strong>de</strong> los cuerpos sólidos y líquidos 3<br />
Masa y unidad <strong>de</strong> masa 5<br />
Cronometría 7<br />
Cifras significativas 9<br />
Teoría <strong>de</strong> los errores 10<br />
Buenos y malos conductores <strong>de</strong> electricidad 12<br />
Velocidad media e instantánea 13<br />
Movimiento Uniforme 15<br />
Movimiento Variado 17<br />
Movimiento uniformemente acelerado 19<br />
Aceleración <strong>de</strong> la gravedad 21<br />
Tiro vertical 23<br />
Tiro parabólico 24<br />
Movimiento circular y fuerza centrípeta 26<br />
Ecuación fundamental <strong>de</strong> la dinámica y <strong>de</strong>finición <strong>de</strong> Newton 28<br />
Determinación dinámica <strong>de</strong> la masa 30<br />
Medida <strong>de</strong> la aceleración <strong>de</strong> la gravedad 32<br />
Medición <strong>de</strong> fuerza 34<br />
Fuerza <strong>de</strong> rozamiento 35<br />
Alargamiento <strong>de</strong> un muelle helicoidal -Ley <strong>de</strong> Hooke 37<br />
Dirección <strong>de</strong> una fuerza y punto <strong>de</strong> aplicación 39<br />
Plano inclinado 40<br />
Descomposición <strong>de</strong> fuerzas en el plano inclinado 42<br />
Presión hidrostática 44<br />
Ley <strong>de</strong> Boyle – Mariotte 46<br />
Conservación <strong>de</strong> movimiento 50<br />
Conservación <strong>de</strong> energía mecánica 52<br />
Trabajo mecánico 54<br />
Trabajo sobre plano inclinado 55<br />
Potencia mecánica 57<br />
Polea fija 58<br />
Polea móvil 60<br />
Polipasto sencillo 62<br />
Palanca <strong>de</strong> dos lados 64<br />
Principio <strong>de</strong> Arquíme<strong>de</strong>s 66<br />
Blindaje eléctrico 68<br />
Construcción <strong>de</strong> una brújula 69<br />
Propagación rectilínea <strong>de</strong> la luz 70<br />
Reflexión <strong>de</strong> la luz 72<br />
Reflexión en el espejo plano 74<br />
Imágenes en el espejo plano 77<br />
Reflexión en el espejo cóncavo 80<br />
Reflexión en el espejo convexo 83
INDICE<br />
NOMBRE <strong>DE</strong> LA PRACTICA PAGINA<br />
Refracción al pasar <strong>de</strong>l aire al vidrio 85<br />
Determinación <strong>de</strong>l índice <strong>de</strong> refracción <strong>de</strong>l vidrio 88<br />
Refracción al pasar <strong>de</strong> aire a agua 90<br />
Refracción en la superficie <strong>de</strong> separación <strong>de</strong> dos líquidos 92<br />
Refracción al pasar <strong>de</strong>l vidrio al aire 95<br />
Refracción en un prisma 97<br />
Descomposición <strong>de</strong> la luz en un prisma 99<br />
Reunificación <strong>de</strong> los colores <strong>de</strong>l espectro 101<br />
Difracción <strong>de</strong> un haz <strong>de</strong> luz 103<br />
Medición <strong>de</strong> temperaturas y transformación <strong>de</strong> escalas 105<br />
Expansión y contracción térmica 106<br />
Cambio <strong>de</strong> estado 107<br />
Celdas o pilas 109<br />
Generador Termoeléctrico 111<br />
Electrolisis <strong>de</strong>l agua 112<br />
Asociación <strong>de</strong> resistores en paralelo 114<br />
Asociación <strong>de</strong> resistores en serie 116<br />
El magnetismo y la electricidad 118<br />
Magnetización 120<br />
Campo magnético <strong>de</strong> un solenoi<strong>de</strong> 122<br />
Transformación <strong>de</strong> energía solar a energía eléctrica 124
Práctica 1<br />
MEDICIÓN <strong>DE</strong> LA LONGITUD CON CINTA MÉTRICA Y PIE <strong>DE</strong> REY<br />
Objetivo:<br />
Conocer la exactitud <strong>de</strong> medida <strong>de</strong> la cinta métrica y <strong>de</strong>l pie <strong>de</strong> rey. Hacer uso <strong>de</strong>l las herramientas <strong>de</strong> medición usuales en las<br />
<strong>de</strong>terminaciones físicas. Reconocer el concepto <strong>de</strong> magnitu<strong>de</strong>s escales.<br />
Material:<br />
1 Cinta métrica<br />
1 Vernier o Pie <strong>de</strong> Rey<br />
1 Paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio<br />
1 Hoja <strong>de</strong> papel<br />
Introducción:<br />
En ingeniería, ciencia, industria y estadística, se <strong>de</strong>nomina exactitud a la capacidad que tiene un instrumento <strong>de</strong> medir un valor<br />
cercano al valor <strong>de</strong> la magnitud real.<br />
Suponiendo varias mediciones, no estamos midiendo el error <strong>de</strong> cada una. Sino la distancia a la que se encuentra la medida real <strong>de</strong><br />
la media <strong>de</strong> las mediciones. (es <strong>de</strong>cir cuán calibrado está el aparato <strong>de</strong> medición).<br />
Esta cualidad también se encuentra en instrumentos generadores <strong>de</strong> magnitu<strong>de</strong>s físicas, siendo en este caso la capacidad <strong>de</strong>l<br />
instrumento <strong>de</strong> acercarse a la magnitud física real.<br />
En ingeniería, ciencia, industria y estadística, se <strong>de</strong>nomina precisión a la capacidad <strong>de</strong> un instrumento <strong>de</strong> dar el mismo resultado en<br />
mediciones diferentes realizadas en las mismas condiciones. Esta cualidad <strong>de</strong>be evaluarse a corto plazo. No <strong>de</strong>be confundirse con<br />
exactitud ni con reproducibilidad.<br />
Es un parámetro relevante, especialmente en la investigación <strong>de</strong> fenómenos físicos, ámbito en el cual los resultados se expresan<br />
como un número más una indicación <strong>de</strong>l error máximo estimado para la magnitud. Es <strong>de</strong>cir, se indica una zona <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la cual<br />
está comprendido el verda<strong>de</strong>ro valor <strong>de</strong> la magnitud.<br />
Desarrollo Experimental:<br />
Experimento 1:<br />
1) Medimos con la cinta métrica los lados <strong>de</strong> una hoja y calculamos su superficie.<br />
2) Con la cinta métrica po<strong>de</strong>mos medir con una exactitud <strong>de</strong> hasta 1 mm.<br />
3) Intentamos <strong>de</strong>terminar con la cinta métrica la altura media <strong>de</strong>l compañero <strong>de</strong>l grupo <strong>de</strong> trabajo.<br />
4) Medimos la altura <strong>de</strong> todos los miembros <strong>de</strong>l grupo, sumamos los valores y dividimos entre el número <strong>de</strong> las medidas tomadas.<br />
Experimento 2:<br />
1) Determinamos con el vernier el tamaño <strong>de</strong>l paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio, Con el vernier po<strong>de</strong>mos llevar a cabo mediciones <strong>de</strong>l<br />
paralelepípedo <strong>de</strong> hasta una exactitud <strong>de</strong> 0,1 mm<br />
2) Con ayuda <strong>de</strong> los resultados po<strong>de</strong>mos calcular el volumen <strong>de</strong>l paralelepípedo.<br />
1
Indicación: El tornillo micrométrico nos permite llevar a cabo mediciones todavía más exactas.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Con la cinta métrica po<strong>de</strong>mos medir la longitud con una exactitud <strong>de</strong> hasta 1 mm; con el vernier po<strong>de</strong>mos medir la longitud con<br />
una exactitud <strong>de</strong> <strong>de</strong> hasta 0,1 mm.<br />
Po<strong>de</strong>mos calcular la superficie y el volumen <strong>de</strong> un cuerpo regular cuando hemos llevado a cabo las mediciones correspondientes.<br />
Realice una investigación acerca <strong>de</strong> los conceptos <strong>de</strong> incertidumbre en las mediciones físicas.<br />
2
Práctica 2<br />
VOLUMEN <strong>DE</strong> LOS CUERPOS SÓLIDOS Y LÍQUIDOS<br />
Objetivo:<br />
Mostrar cómo po<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>terminar el volumen <strong>de</strong> líquidos y <strong>de</strong> cuerpos Irregulares mediante métodos indirectos<br />
Material:<br />
1 Paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio<br />
1 Platillo para pesos <strong>de</strong> ranura<br />
4 Pesas <strong>de</strong> ranuradas 50 g.<br />
1 Cilindro graduado<br />
1 Vaso <strong>de</strong> precipitados<br />
1 Vernier<br />
1 Cordón<br />
Introducción:<br />
Cuando un sólido no tiene una forma geométrica que permita <strong>de</strong>terminar por cálculo su volumen, se mi<strong>de</strong> éste indirectamente.<br />
Supongamos que se <strong>de</strong>sea saber el volumen <strong>de</strong> una piedra pequeña. Por lo general las piedras tienen una forma muy irregular, por<br />
lo que es muy difícil calcular su volumen comparándolo con un cubo unidad. En estos casos se calcula su volumen por<br />
<strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> agua.<br />
En un recipiente graduado vertemos un líquido y, a continuación, sumergimos en él, el sólido cuyo volumen <strong>de</strong>seamos conocer. El<br />
aumento <strong>de</strong> nivel <strong>de</strong>l líquido nos permitirá, por sustracción, <strong>de</strong>terminar el volumen <strong>de</strong>l sólido. Normalmente el líquido empleado<br />
será agua, pero si el sólido se disuelve en ella (por ejemplo la sal o el azúcar) usaremos otro líquido que no disuelva al sólido<br />
Desarrollo experimental:<br />
Experimento 1:<br />
1) Medir el volumen <strong>de</strong> un líquido (agua). Llenar con agua el vaso <strong>de</strong> precipitados.<br />
2) Vertemos en el cilindro graduado exactamente 20 ml. <strong>de</strong> agua, <strong>de</strong>spués, por ejemplo, 78<br />
ml <strong>de</strong> agua y para terminar 100 ml <strong>de</strong> agua. Practicamos la lectura <strong>de</strong>l volumen <strong>de</strong> agua vertido. 100 ml correspon<strong>de</strong>n a 100 cm.<br />
cúbicos.<br />
3) Vertemos el agua <strong>de</strong> nuevo en el vaso <strong>de</strong> precipitados.<br />
Experimento 2:<br />
1) Medir los lados <strong>de</strong>l paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio con ayuda <strong>de</strong>l vernier. Calculamos el volumen con la fórmula largo x ancho x<br />
altura (V = I.b.h).<br />
Volumen <strong>de</strong>l paralelepípedo_____ cm. cúbicos<br />
Experimento 3:<br />
1) Medir ahora el volumen <strong>de</strong>l paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio por medio <strong>de</strong> su <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong>l agua. Llenamos con agua el cilindro<br />
graduado hasta su marca para 70 ml.<br />
2) Atamos un cordón al paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio y lo sumergimos completamente en el agua <strong>de</strong>l cilindró graduado. El nivel <strong>de</strong>l<br />
agua <strong>de</strong>l cilindro graduado aumenta. Leemos en la escala <strong>de</strong>l cilindro graduado el aumento <strong>de</strong>l volumen. El aumento <strong>de</strong>l volumen<br />
correspon<strong>de</strong> al <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong>l agua por medio <strong>de</strong>l paralelepípedo.<br />
El paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio ha <strong>de</strong>splazado___________ ml. <strong>de</strong> agua.<br />
El volumen <strong>de</strong>l paralelepípedo es por lo tanto__________ cm. cúbicos,<br />
3) El resultado <strong>de</strong>be coincidir con el valor calculado <strong>de</strong>l volumen, permitiéndose un pequeño error <strong>de</strong>bido a inexactitu<strong>de</strong>s durante<br />
la medida.<br />
Experimento 4:<br />
1) Medir como en el tercer experimento el volumen <strong>de</strong> un cuerpo sólido por medio <strong>de</strong>l <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> agua. Ahora utilizamos,<br />
sin embargo, un cuerpo irregularmente formado. En el cilindro graduado se encuentran <strong>de</strong> nuevo 70 ml. <strong>de</strong> agua. Atamos un<br />
cordón al platillo para pesas <strong>de</strong> ranura, cuatro pesos <strong>de</strong> ranura <strong>de</strong> 50 g.<br />
2) Sumergimos estos cuerpos completamente en el agua <strong>de</strong>l cilindro graduado.<br />
3) Leemos el aumento <strong>de</strong>l volumen; <strong>de</strong> esta manera po<strong>de</strong>mos dar el volumen <strong>de</strong>l cuerpo (sustraer 70 ml. <strong>de</strong>l nuevo valor).<br />
3
El volumen <strong>de</strong>l cuerpo irregular es <strong>de</strong> __________ cm. cúbicos.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Po<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>terminar el volumen <strong>de</strong> cuerpos formados irregularmente, <strong>de</strong>terminando cuánta agua <strong>de</strong>splazan.<br />
4
Práctica 3<br />
MASA Y UNIDAD <strong>DE</strong> MASA<br />
Objetivo:<br />
Realizar <strong>de</strong>terminaciones <strong>de</strong> masa <strong>de</strong> diferentes cuerpos, para la comprehensión <strong>de</strong>l concepto <strong>de</strong> masa, realizar mediciones por<br />
medio <strong>de</strong> una balanza <strong>de</strong> dos brazos, conocer y hacer uso las unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> masa.<br />
Material:<br />
1 Riel <strong>de</strong> soporte<br />
2 Varillas <strong>de</strong> soporte 25 cm.<br />
2 Capuchones <strong>de</strong> plástico para varilla <strong>de</strong> soporte<br />
1 Nuez<br />
1 Bulón <strong>de</strong> cojinetes<br />
1 Brazo <strong>de</strong> palanca<br />
2 Platillos <strong>de</strong> balanza<br />
1 Índice<br />
1 Escala<br />
1 Jinete con ranura<br />
1 Vaso <strong>de</strong> precipitado<br />
1 Cilindro graduado<br />
1 Juego <strong>de</strong> masas<br />
2 Pesas <strong>de</strong> ranura 50 g<br />
Introducción:<br />
La masa es la medida <strong>de</strong> la inercia <strong>de</strong> un cuerpo. Aunque es frecuente que se <strong>de</strong>fina como la cantidad <strong>de</strong> materia contenida en un<br />
cuerpo, esta última <strong>de</strong>finición es incompleta. Es un concepto central en la química, la física y disciplinas afines. En el Sistema<br />
Internacional <strong>de</strong> Unida<strong>de</strong>s se mi<strong>de</strong> en kilogramos.<br />
El Kilogramo es la unidad básica <strong>de</strong> masa <strong>de</strong>l Sistema Internacional <strong>de</strong> Unida<strong>de</strong>s y su patrón, está <strong>de</strong>finido por la masa que tiene el<br />
cilindro patrón, compuesto <strong>de</strong> una aleación <strong>de</strong> platino e iridio, que se guarda en la Oficina Internacional <strong>de</strong> Pesos y Medidas en<br />
Sèvres, cerca <strong>de</strong> París.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación: Montaje <strong>de</strong> acuerdo con la ilustración.<br />
1) Insertamos a través <strong>de</strong> la perforación transversal <strong>de</strong>l riel <strong>de</strong> soporte una varilla <strong>de</strong> soporte <strong>de</strong> 25 cm. Ajustamos la varilla <strong>de</strong><br />
soporte con ayuda <strong>de</strong> un tornillo moleteado.<br />
2) Colocamos los capuchones <strong>de</strong> plástico a ambos extremos <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte.<br />
3) Fijamos la segunda varilla <strong>de</strong> soporte <strong>de</strong> 25 cm. perpendicularmente en el riel <strong>de</strong> soporte.<br />
4) Ajustamos la nuez a la varilla perpendicular <strong>de</strong> soporte.<br />
5) Ajustamos el brazo <strong>de</strong> palanca a la nuez en el orificio superior con ayuda <strong>de</strong>l bulón <strong>de</strong> cojinetes.<br />
6) Atornillamos el índice al centro <strong>de</strong>l brazo <strong>de</strong> palanca.<br />
7) Colocamos la escala sobre el riel <strong>de</strong> soporte frente a la varilla perpendicular <strong>de</strong> soporte, con ayuda <strong>de</strong>l jinete con ranura.<br />
8) Suspen<strong>de</strong>mos ambos platillos <strong>de</strong> balanza <strong>de</strong> los extremos <strong>de</strong>l brazo <strong>de</strong> palanca.<br />
5
Experimento 1:<br />
1) Colocamos el vaso <strong>de</strong> precipitados sobre el platillo izquierdo <strong>de</strong> la balanza mientras que sostenemos el platillo hasta que<br />
logremos el equilibrio colocando masas y perdigones para tarar en el platillo <strong>de</strong>recho ("tarar').<br />
2) En adición, colocamos sobre el platillo <strong>de</strong> balanza <strong>de</strong>recho dos pesos <strong>de</strong> ranura 50 g.<br />
3) Vertimos agua en el vaso <strong>de</strong> precipitados que se encuentra sobre el platillo <strong>de</strong> balanza izquierdo (<strong>de</strong>l cilindro graduado), hasta<br />
que establezcamos <strong>de</strong> nuevo el equilibrio.<br />
4) Finalmente vertimos <strong>de</strong> nuevo el agua en el cilindro graduado vació y <strong>de</strong>terminamos su volumen.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1. Las masas se comparan con una balanza.<br />
2. 1 g es la masa <strong>de</strong> 1 ml <strong>de</strong> agua, 1 kg. es la masa <strong>de</strong> 1L <strong>de</strong> agua.<br />
6
Práctica 4<br />
CRONOMETRÍA<br />
Objetivo:<br />
Mostrar un método sencillo para medir el tiempo. Hacer uso <strong>de</strong> las unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> medición <strong>de</strong>l tiempo.<br />
Material:<br />
1 Riel <strong>de</strong> soporte<br />
1 Pinza<br />
1 Varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm.<br />
2 Nueces<br />
1 Bulon <strong>de</strong> cojinete<br />
1 Platillo para pesas ranuradas<br />
2 Pesas ranuradas <strong>de</strong> 50g<br />
1 Cinta métrica<br />
1 Tijera<br />
1 Cordón<br />
1 Cronómetro<br />
Introducción:<br />
La materia, en su movimiento, manifiesta ciclos. La magnitud que esta propiedad genera se llama tiempo. El tiempo es la magnitud<br />
física que mi<strong>de</strong> la duración o separación <strong>de</strong> las cosas sujetas a cambio, esto es, el período que transcurre entre dos eventos<br />
consecutivos que se mi<strong>de</strong>n <strong>de</strong> un pasado hacia un futuro, pasando por el presente. Es la magnitud que permite parametrizar el<br />
cambio y or<strong>de</strong>nar los sucesos en secuencias, estableciendo un pasado, un presente y un futuro, y da lugar al Principio <strong>de</strong><br />
causalidad, uno <strong>de</strong> los axiomas <strong>de</strong>l método científico.<br />
Su unidad básica en el Sistema Internacional es el segundo. Su símbolo es s; <strong>de</strong>bido a que es un símbolo y no una abreviación, no<br />
se <strong>de</strong>be escribir ni con mayúscula, ni como "seg", ni agregando un punto posterior.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación: montar <strong>de</strong> acuerdo a la ilustración<br />
1) Fijamos la pinza <strong>de</strong> mesa con el riel <strong>de</strong> soporte al bor<strong>de</strong> <strong>de</strong> la mesa.<br />
2) Fijamos la varilla <strong>de</strong> soporte al riel. Colocamos una nuez en la varilla <strong>de</strong> soporte cerca <strong>de</strong>l riel.<br />
3) Fijamos la otra nuez (con el bulón <strong>de</strong> cojinetes ya ajustado) al extremo superior <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte. La nuez inferior <strong>de</strong>be<br />
encontrarse paralela al bor<strong>de</strong> <strong>de</strong> la mesa mientras que la superior <strong>de</strong>be salir hacia a<strong>de</strong>lante.<br />
4) Hacemos dos gazas a ambos extremos <strong>de</strong> un cordón <strong>de</strong> 130 cm. <strong>de</strong> longitud.<br />
5) Fijamos una gaza al tornillo <strong>de</strong> apriete <strong>de</strong> la nuez inferior.<br />
7
6) Corremos el cordón a través <strong>de</strong> los bulones <strong>de</strong> cojinetes y lo <strong>de</strong>jamos colgando hacia abajo.<br />
7) De la segunda gaza colgamos el platillo para pesas ranuradas, con dos pesas ranuradas <strong>de</strong> 50 g.<br />
8) Desplazando la nuez inferior hacia arriba o hacia abajo obtenemos una longitud <strong>de</strong>l péndulo –<strong>de</strong>s<strong>de</strong> el bulón <strong>de</strong> cojinetes hasta el<br />
centro <strong>de</strong> los pesas ranuradas- <strong>de</strong> exactamente 99,5 cm.<br />
Experimento 1:<br />
1) Hacemos oscilar el péndulo. Debe oscilar paralelo al bor<strong>de</strong> <strong>de</strong> la mesa; la amplitud <strong>de</strong> oscilación sólo <strong>de</strong>be ser <strong>de</strong> unos 10 cm.<br />
Al <strong>de</strong>tenerse el péndulo a un lado (punto <strong>de</strong> inversión) activamos el cronómetro (observamos la posición <strong>de</strong> la manecilla <strong>de</strong> los<br />
segundos <strong>de</strong>l reloj <strong>de</strong> pulsera). Después <strong>de</strong> exactamente 20 semioscilaciones (10 oscilaciones completas, 1 oscilación es una<br />
movimiento completo <strong>de</strong> ida y regreso <strong>de</strong>l péndulo) <strong>de</strong>tenemos <strong>de</strong> nuevo el cronómetro (Vemos <strong>de</strong> la manecilla <strong>de</strong> los segundos<br />
<strong>de</strong>l reloj <strong>de</strong> pulsera el tiempo transcurrido).<br />
Duración <strong>de</strong> 20 oscilaciones: ______s<br />
Duración <strong>de</strong> 1 semi-oscilación: _____s<br />
Un péndulo <strong>de</strong> segundos <strong>de</strong>be medir, por lo tanto, exactamente 99,5 cm.<br />
Experimento 2:<br />
1) Llevamos a cabo con el péndulo <strong>de</strong> segundos algunas mediciones <strong>de</strong>l tiempo.<br />
Po<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>terminar, por ej. el número <strong>de</strong> pulsaciones <strong>de</strong>l cuerpo humano durante un minuto (60 seg.). Para lo mismo medimos<br />
primero al estar el cuerpo en reposo relativo y luego <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> un esfuerzo físico (correr brevemente o subir escalones). Po<strong>de</strong>mos<br />
también comparar los resultados para dos personas distintas.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1) Un péndulo <strong>de</strong> 99,5 cm. <strong>de</strong> longitud necesita 1 segundo para una semi-oscilación (péndulo <strong>de</strong> segundos).<br />
2) Po<strong>de</strong>mos efectuar mediciones <strong>de</strong>l tiempo con un péndulo cuya duración <strong>de</strong> oscilación conocemos. Sin embargo, la amplitud <strong>de</strong><br />
oscilación <strong>de</strong>l péndulo no <strong>de</strong>be ser <strong>de</strong>masiado gran<strong>de</strong>.<br />
8
Práctica 5<br />
CIFRAS SIGNIFICATIVAS<br />
Objetivo:<br />
Aplicar el concepto <strong>de</strong> Cifras significativas, Realizar operaciones usando cifras significativas, conocer el concepto <strong>de</strong><br />
incertidumbre.<br />
Material:<br />
Rectángulo <strong>de</strong> cartulina<br />
Regla<br />
Vernier<br />
Introducción:<br />
Es imposible obtener el valor exacto <strong>de</strong> una cantidad buscada, excepto cuando los números <strong>de</strong> una operación son enteros (por<br />
ejemplo el número <strong>de</strong> estudiantes que hay en una clase). Por esta razón es importante indicar el margen <strong>de</strong> error en las mediciones<br />
señalando claramente el número <strong>de</strong> cifras significativas, que son los dígitos significativos en una cantidad o medida calculada.<br />
En el trabajo científico siempre <strong>de</strong>be tenerse cuidado <strong>de</strong> anotar el número a<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong> cifras significativas<br />
Desarrollo experimental:<br />
Experimento 1:<br />
Medir longitud:<br />
1) Medir el cuadro y expresar el resultado en cm. (no incluir <strong>de</strong>cimales)<br />
2) Medir el cuadro con la regla y expresar el resultado en <strong>de</strong>cimales<br />
3) Medir el cuadro <strong>de</strong> cartulina con ayuda <strong>de</strong>l vernier y expresar resultados<br />
Experimento 2:<br />
Medir área:<br />
1) Mi<strong>de</strong> el ancho <strong>de</strong>l rectángulo con la regla graduada en milímetros. Exprésala en metros.<br />
Con esas dos medidas ¿Cuál es el perímetro <strong>de</strong>l rectángulo? (Tenga presente la técnica <strong>de</strong>l redon<strong>de</strong>o).<br />
Cuál es el área <strong>de</strong>l rectángulo?<br />
Evalúe su respuesta para ver cuantas cifras significativas (<strong>de</strong>cimales) <strong>de</strong>berá tener<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1) ¿De que <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> el número <strong>de</strong> cifras significativas que obtuviste?<br />
2) ¿Qué instrumento te permitió tomar medidas más precisas?<br />
3) ¿Por que consi<strong>de</strong>ras que es más precisa?<br />
4) ¿Cuantas cifras significativas tiene cada resultado?<br />
9
Objetivo:<br />
Hacer uso <strong>de</strong> la teoría <strong>de</strong> los errores<br />
Materiales:<br />
2 Cinta métrica<br />
1 Regla<br />
Práctica 6<br />
TEORIA <strong>DE</strong> LOS ERRORES<br />
Introducción:<br />
El resultado <strong>de</strong> toda medición siempre tiene cierto grado <strong>de</strong> incertidumbre. Esto se <strong>de</strong>be a las limitaciones <strong>de</strong> los instrumentos <strong>de</strong><br />
medida, a las condiciones en que se realiza la medición, así como también, a las capacida<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l experimentador. Es por ello que<br />
para tener una i<strong>de</strong>a correcta <strong>de</strong> la magnitud con la que se está trabajando, es indispensable establecer los límites entre los cuales se<br />
encuentra el valor real <strong>de</strong> dicha magnitud. La teoría <strong>de</strong> errores establece estos límites.<br />
Tipos De Errores<br />
Error <strong>de</strong> escala (escala):<br />
El error <strong>de</strong> escala correspon<strong>de</strong> al mínimo valor que pue<strong>de</strong> discriminar el instrumento <strong>de</strong> medida.<br />
Error sistemático (sistemático):<br />
Se caracteriza por su reproducibilidad cuando la medición se realiza bajo condiciones iguales, es <strong>de</strong>cir siempre actúa en el mismo<br />
sentido y tiene el mismo valor.<br />
Error acci<strong>de</strong>ntal o aleatorio:<br />
Se caracteriza por ser <strong>de</strong> carácter variable, es <strong>de</strong>cir que al repetir un experimento en condiciones idénticas, los resultados obtenidos<br />
no son iguales en todos los casos.<br />
El error acci<strong>de</strong>ntal se pue<strong>de</strong> minimizar aumentando el número <strong>de</strong> mediciones.<br />
El error total es igual a la suma <strong>de</strong> estos tres tipos <strong>de</strong> errores.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Experimento 1:<br />
1) Cada estudiante <strong>de</strong>l grupo tomará la cinta métrica o regla y medirá, la longitud <strong>de</strong> la mesa <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l LDM y registrará sus datos<br />
(<strong>de</strong>berá aplicar cifras significativas).<br />
2) Intercambie sus instrumentos <strong>de</strong> medición y vuelve a tomar las mismas medidas. No corrijas tus datos.<br />
3) Intercambien <strong>de</strong> nuevamente su instrumento <strong>de</strong> medición y vuelvan a medir<br />
Registrar resultados en una tabla <strong>de</strong> datos como la que se sugiere a continuación. (Exprese todas las medidas en metros).<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1) ¿Tienen que tener todos los resultados el mismo número <strong>de</strong> <strong>de</strong>cimales? ¿Por qué?<br />
2) ¿Cuál medida <strong>de</strong> su tabla <strong>de</strong> datos se repite con más frecuencia?<br />
3) ¿Cuántas medidas diferentes aparecen en su tabla?<br />
4) ¿Qué medida consi<strong>de</strong>ra usted que representa con mejor aproximación la distancia que quiso medir?.<br />
Manejar datos<br />
Medida 1<br />
Medida 2<br />
Medida 3<br />
Estudiante 1 Estudiante 2 Estudiante 3<br />
10
Calcula el promedio aritmético <strong>de</strong> todos los resultados obtenidos. ¿Cuántas cifras significativas <strong>de</strong>berá tener este resultado? ¿Por qué?.<br />
Es este promedio la medida más probable <strong>de</strong> la longitud que quiso medir ¿Por qué?.<br />
Designe con una X el valor promedio que encontró y por x el valor <strong>de</strong> cualquier medida consignada en la tabla <strong>de</strong> datos. ¿Qué tan cerca<br />
o tan lejos <strong>de</strong> X estuvo el primer dato <strong>de</strong> su tabla y el último?.<br />
La diferencia que usted obtuvo en el paso anterior se <strong>de</strong>nomina error. ¿Cuál es el error <strong>de</strong> cada una <strong>de</strong> las medidas <strong>de</strong> su tabla?.<br />
Para calcular el error porcentual utiliza la siguiente ecuación: ep =[(X – x) x 100%]/X.<br />
11
Práctica 7<br />
BUENOS Y MALOS CONDUCTORES <strong>DE</strong> ELECTRICIDAD<br />
Objetivo:<br />
I<strong>de</strong>ntificación <strong>de</strong> buenos y malos conductores <strong>de</strong> la electricidad. Compren<strong>de</strong>r el término <strong>de</strong> conductividad.<br />
Material:<br />
Bitácora Moneda metálica<br />
Lápiz Vidrio<br />
Papel Goma<br />
1 foco Lápiz<br />
1 pila <strong>de</strong> 1.5 V Plástico<br />
Alambres <strong>de</strong> cobre Agua simple<br />
Cinta <strong>de</strong> aislar Solución <strong>de</strong> agua con sal<br />
Solución <strong>de</strong> agua con azúcar<br />
Introducción:<br />
Se dice que un cuerpo es conductor eléctrico cuando puesto en contacto con un cuerpo cargado <strong>de</strong> electricidad transmite ésta a<br />
todos los puntos <strong>de</strong> su superficie.<br />
Generalmente elementos, aleaciones o compuestos con electrones libres que permiten el movimiento <strong>de</strong> cargas. El más conocido el<br />
elemento metálico capaz <strong>de</strong> conducir la electricidad cuando es sometido a una diferencia <strong>de</strong> potencial eléctrico. Para que ello sea<br />
efectuado eficientemente, se requiere que posea una baja resistencia para evitar pérdidas <strong>de</strong>smedidas por el Efecto Joule y caída <strong>de</strong><br />
tensión.<br />
Para el transporte <strong>de</strong> la energía eléctrica el susodicho metal empleado universalmente es el cobre en forma <strong>de</strong> cables <strong>de</strong> uno o<br />
varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad eléctrica <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong>l 60% <strong>de</strong> la<br />
<strong>de</strong>l cobre es, sin embargo, un material mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas <strong>de</strong> transmisión <strong>de</strong> energía eléctrica.<br />
La conductividad en medios líquidos (Disolución) está relacionada con la presencia <strong>de</strong> sales en solución, cuya disociación genera<br />
iones positivos y negativos capaces <strong>de</strong> transportar la energía eléctrica si se somete el líquido a un campo eléctrico. Estos<br />
conductores iónicos se <strong>de</strong>nominan electrolitos o conductores electrolíticos.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Experimento 1:<br />
1) Montar el circuito que se muestra en la figura 1 usando cinta <strong>de</strong> aislar para fijar los alambres <strong>de</strong> cobre a las terminales <strong>de</strong> la pila.<br />
Material <strong>de</strong> prueba<br />
Cinta <strong>de</strong> aislar<br />
2) Comprobar el funcionamiento <strong>de</strong>l circuito, se <strong>de</strong>berá permitir el contacto <strong>de</strong> las terminales A y B. La lámpara encien<strong>de</strong>.<br />
3) Probar materiales.<br />
Fijar los diferentes materiales <strong>de</strong> prueba a las terminales A y B.<br />
Distinguir si el material <strong>de</strong> prueba es buen o mal conductor <strong>de</strong> la electricidad, si la lámpara encien<strong>de</strong> es buen conductor.<br />
4) Registrar sus resultados en una tabla, clasificando a los materiales como buenos y malos conductores <strong>de</strong> la electricidad.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1) ¿Cuáles <strong>de</strong> los materiales empleados son buenos y malos conductores <strong>de</strong> la electricidad? 2)Justifica la respuesta, revisando la<br />
bibliografía para reconocer sus características.<br />
12<br />
Figura 1
Objetivo:<br />
Determinar la velocidad media e instantánea<br />
Material:<br />
1 Pista<br />
1 Varilla 6 cm.<br />
1 Carrito para experimentos<br />
3 Pesas ranuradas <strong>de</strong> 50 g<br />
2 Jinetes<br />
1 Generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempos<br />
1 Cinta métrica<br />
1 Cinta registradora<br />
1 Tijeras<br />
2 Cables <strong>de</strong> conexión<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Etiquetas adhesivas<br />
Práctica 8<br />
VELOCIDAD MEDIA E INSTANTÁNEA<br />
Introducción:<br />
En física, se <strong>de</strong>fine correctamente a la velocidad al <strong>de</strong>cir que es "la rapi<strong>de</strong>z con la que cambia <strong>de</strong> posición un móvil". Esta<br />
magnitud expresa la variación <strong>de</strong> posición <strong>de</strong> un objeto en función <strong>de</strong> la distancia recorrida en la unidad <strong>de</strong> tiempo. Se suele<br />
representar por la letra . La velocidad pue<strong>de</strong> distinguirse según el lapso consi<strong>de</strong>rado, por lo cual se hace referencia a la velocidad<br />
instantánea, la velocidad promedio, etcétera. En el Sistema Internacional <strong>de</strong> unida<strong>de</strong>s su unidad es el metro por segundo.<br />
La velocidad media o velocidad promedio informa sobre la velocidad en un intervalo dado. Se calcula dividiendo el<br />
<strong>de</strong>splazamiento (<strong>de</strong>lta x) por el tiempo transcurrido (<strong>de</strong>lta t).<br />
Permite conocer la velocidad <strong>de</strong> un móvil que se <strong>de</strong>splaza sobre una trayectoria, cuando el lapso <strong>de</strong> tiempo es infinitamente<br />
pequeño, siendo entonces el espacio recorrido también muy pequeño, representando un punto <strong>de</strong> la trayectoria.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo a la ilustración.<br />
Preparación:<br />
1) Colocamos la pista sobre la mesa y el carrito para experimentos junto con tres pesos <strong>de</strong> ranura sobre la pista.<br />
2) Elevamos un poco (unos 3 cm.) un extremo <strong>de</strong> la pista con ayuda <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte <strong>de</strong> 6 cm.<br />
3) Sobre el extremo elevado colocamos el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo. Al otro extremo <strong>de</strong> la pista colocamos el jinete, que<br />
evitará que el carrito rue<strong>de</strong> hacia abajo.<br />
4) Tiramos a través <strong>de</strong>l generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo una cinta <strong>de</strong> papel metalizado <strong>de</strong> aproximadamente 1 m <strong>de</strong> longitud y la<br />
fijamos al carrito con ayuda <strong>de</strong> una etiqueta adhesiva.<br />
5) Aseguramos el otro extremo <strong>de</strong> la cinta a la pinza <strong>de</strong> cocodrilo <strong>de</strong>l generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo.<br />
6) Conectamos el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo a una tensión alterna <strong>de</strong> 15 V.<br />
13
7) Deslizamos el carro completamente hasta el generador <strong>de</strong> marcas. Directamente frente al carro colocamos un jinete sobre la<br />
pista para que lo <strong>de</strong>tenga.<br />
Experimento 1:<br />
1) Ponemos la tecla en 100 ms.<br />
2) Retirar el jinete que está junto al carrito. Este rueda aceleradamente, <strong>de</strong>bido a que la pista está inclinada, y es <strong>de</strong>tenido al final<br />
por el jinete.<br />
4) Poner la tecla en posición central y retiramos la cinta <strong>de</strong>l soporte.<br />
5) Tomamos la cuarta marca <strong>de</strong> tiempo y la marcamos como punto inicial <strong>de</strong> las medidas posteriores (marca D). Denominamos a<br />
las siguientes marcas 1,2,3.. .8.entonces medimos las distancias previamente indicadas en la tabla y calculamos, con ayuda <strong>de</strong>l<br />
tiempo necesitado, la velocidad media respectivamente. La po<strong>de</strong>mos calcular con la fórmula:<br />
v = distancia<br />
Tiempo<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Marca Distancia <strong>de</strong> la marca Intervalo <strong>de</strong><br />
tiempo<br />
Velocidad media<br />
8 ______cm.=_______m 0.8 s _____m/s<br />
6 ______cm=_______m 0.6 s _____m/s<br />
4 ______cm=_______m 0.4 s _____m/s<br />
3 ______cm=_______m 0.3 s _____m/s<br />
2 ______cm=_______m 0.2 s _____m/s<br />
1 ______cm=_______m 0.1 s _____m/s<br />
El carrito se mueve aceleradamente y la velocidad aumenta. Por lo tanto, si queremos calcular la velocidad media para intervalos<br />
cada vez más pequeños tomamos los valores y los aproximamos gradualmente a la velocidad instantánea <strong>de</strong>l momento <strong>de</strong> la marca<br />
0.<br />
Finalmente medimos el intervalo antes <strong>de</strong> la marca 0 y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la marca 0, sumamos los dos intervalos y dividimos entre 0,2 s.<br />
obtenemos <strong>de</strong> esta manera la velocidad instantánea tan exactamente como es posible obtenerla con ayuda <strong>de</strong> los puntos <strong>de</strong> medida.<br />
La velocidad instantánea es <strong>de</strong> _________m/s.<br />
Todavía <strong>de</strong>bemos calcular la velocidad media <strong>de</strong>l vagón durante todo el recorrido. A partir <strong>de</strong>l número <strong>de</strong> los puntos <strong>de</strong> medida<br />
obtenemos la duración <strong>de</strong>l movimiento (el número multiplicado por 0,1s). Obtenemos la distancia recorrida midiendo el intervalo<br />
entre el primero y el último punto <strong>de</strong> marcación sobre la cinta registradora. Obtenemos la velocidad media por medio <strong>de</strong> una<br />
división.<br />
V= distancia/tiempo.<br />
la velocidad media es <strong>de</strong> m/s.<br />
Conclusión<br />
Po<strong>de</strong>mos calcular la velocidad instantánea como si fuera una velocidad media <strong>de</strong> un pequeño intervalo <strong>de</strong> tiempo.<br />
Cuando <strong>de</strong>cimos "el coche marcha ahora a 100km/h", ¿Recorre realmente 100km durante la próxima hora? No, ya que nos<br />
referimos a la velocidad instantánea. Cuando <strong>de</strong>cimos, hemos necesitado 1 h para recorrer 100km" tampoco queremos <strong>de</strong>cir que la<br />
velocidad ha sido <strong>de</strong> 100km/h, sino que el valor medio <strong>de</strong> la velocidad ha sido <strong>de</strong> 100km/h.<br />
14
Objetivo:<br />
Estudiar la velocidad uniforme<br />
Material:<br />
1 Pista 100 cm. (rieles con pieza <strong>de</strong> unión)<br />
1 Varilla soporte 6 cm.<br />
1 Carrito para experimentos<br />
3 Pesas ranuradas <strong>de</strong> 50 g<br />
1 Jinete<br />
1 Generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo<br />
1 Cinta métrica<br />
1 Cinta registradora <strong>de</strong> papel metalizado<br />
1 Tijeras<br />
2 Cables <strong>de</strong> conexión<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Etiquetas adhesivas<br />
Práctica 9<br />
MOVIMIENTO UNIFORME<br />
Introducción:<br />
Un movimiento es rectilíneo cuando <strong>de</strong>scribe una trayectoria recta y uniforme cuando su velocidad es constante en el tiempo, es<br />
<strong>de</strong>cir, su aceleración es nula. Esto implica que la velocidad media entre dos instantes cualesquiera siempre tendrá el mismo valor.<br />
A<strong>de</strong>más la velocidad instantánea y media <strong>de</strong> este movimiento coincidirán.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo a la ilustración.<br />
1) Colocamos la pista sobre la mesa y el vagón para experimentos (junto con 3 pesas ranuradas) sobre la pista.<br />
2) Elevamos un poco (unos 1,5cm) un extremo <strong>de</strong> la pista con ayuda <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte <strong>de</strong> 6cm. esta elevación <strong>de</strong>berá<br />
contrarrestar el rozamiento. Sobre el extremo elevado colocamos el jinete, el cual <strong>de</strong>berá evitar que el vagón rue<strong>de</strong> hacia abajo.<br />
3) Pasamos al revés <strong>de</strong>l generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo una cinta <strong>de</strong> papel metalizado <strong>de</strong> aproximadamente 1 m <strong>de</strong> longitud y la<br />
fijamos al vagón con ayuda <strong>de</strong> una etiqueta adhesiva.<br />
4) Aseguramos el otro extremo <strong>de</strong> la cinta registradora a la pinza <strong>de</strong> cocodrilo en el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo.<br />
5) Conectamos el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo a una tensión alterna <strong>de</strong> 15v.<br />
6) Deslizamos el vagón completamente hasta el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo. Si el ajuste <strong>de</strong> la altura es correcto, el vagón no<br />
<strong>de</strong>be rodar por sí solo. Si empujamos ligeramente el vagón, éste <strong>de</strong>berá rodar sobre la pista con una velocidad constante.<br />
7) Si el vagón disminuyera <strong>de</strong> velocidad <strong>de</strong>beremos revisar la compensación <strong>de</strong>l rozamiento.<br />
Experimento 1:<br />
1) Seleccionamos la posición "100 ms", y le damos al vagón un empujón para que llegue al extremo <strong>de</strong> la pista.<br />
2) Entonces paramos el generador (posición central) y retiramos la cinta registradora <strong>de</strong>l soporte.<br />
3) El generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo ha hecho una marca cada <strong>de</strong>cimal <strong>de</strong> Segundo sobre la cinta <strong>de</strong> papel metalizado.<br />
15
4) Con una cinta métrica o con una regla medimos los intervalos entre las marcas <strong>de</strong> tiempo <strong>de</strong>l generador sobre la cinta<br />
registradora. ¿Son todos los intervalos iguales? Ya que el vagón se ha movido <strong>de</strong> manera aproximadamente uniforme, los<br />
intervalos <strong>de</strong> las marcas son aproximadamente iguales también.<br />
Si el intervalo <strong>de</strong> los puntos <strong>de</strong> medida se hace más pequeño al finalizar el movimiento es que el movimiento fue retardado.<br />
5) Determinamos la velocidad <strong>de</strong>l carrito a partir <strong>de</strong> la distancia que ha recorrido en una décima <strong>de</strong> Segundo.<br />
Resultados y Conclusiones:<br />
En un movimiento uniforme, todas las marcas sobre la cinta registradora tienen el mismo intervalo. El vagón se mueve<br />
uniformemente sobre la pista una vez que el efecto retardatorio <strong>de</strong>l rozamiento ha sido compensado. En el experimento, la<br />
inclinación <strong>de</strong> la pista ha provocado esta compensación.<br />
16
Objetivo:<br />
I<strong>de</strong>ntificar el movimiento variado<br />
Material:<br />
1 Pista<br />
1 Carrito para experimentos<br />
1 Pesa ranurada <strong>de</strong> 50 g<br />
1 Jinete<br />
1 Generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo<br />
1 Cinta métrica<br />
1 Cinta registradora <strong>de</strong> papel metalizado<br />
1 Tijeras<br />
2 Cables <strong>de</strong> conexión<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Etiquetas adhesivas<br />
Práctica 10<br />
MOVIMIENTO VARIADO<br />
Introducción:<br />
El movimiento variado es el más común <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l movimiento mecánico <strong>de</strong> las partículas, este se presenta cuando la aceleración<br />
es variable con respecto al tiempo, con lo que la velocidad y posición varían <strong>de</strong> maneras muy distintas.<br />
Este movimiento es el mas generalizado, <strong>de</strong>l cual el MRU, el MRUV, el MCU, el MCUV, o el movimiento parabólico son casos<br />
especiales <strong>de</strong>l mismo.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación:<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo a la ilustración<br />
1) Colocar el carrito sobre la pista.<br />
2) Colocar el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo al final <strong>de</strong> la pista.<br />
3) Colocar en el otro extremo el jinete, el cual <strong>de</strong>berá evitar que el carrito rue<strong>de</strong> hacia abajo.<br />
4) Tiramos a través <strong>de</strong>l generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo <strong>de</strong> una cinta metalizada y la fijamos al carrito por medio <strong>de</strong> una etiqueta<br />
adhesiva.<br />
5) Aseguramos el otro extremo <strong>de</strong> la cinta registradora a la pinza <strong>de</strong> cocodrilo en el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo.<br />
6) Operar el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo en posición 100 ms, con lo que hará una marca sobre la cinta registradora cada 0.1s.<br />
7) Conectar el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo a una tensión alterna <strong>de</strong> 15 V.<br />
Experimento 1:<br />
1) Ponemos la llave en "100ms" y movemos el carro con la mano sobre la pista.<br />
2) Intentamos llevar a cabo el movimiento <strong>de</strong> tal manera que la velocidad <strong>de</strong>l carro primero aumente y <strong>de</strong>spués disminuya <strong>de</strong><br />
nuevo. Para ello, primero tiramos lentamente y luego (a partir <strong>de</strong>l centro <strong>de</strong> la pista) rápidamente y al final <strong>de</strong> nuevo lentamente. Al<br />
llegar el carrito al final <strong>de</strong> la pista paramos el marcador (posición central) y retiramos la cinta registradora <strong>de</strong>l soporte.<br />
17
Primero tomamos <strong>de</strong> la parte inicial dos puntos <strong>de</strong> marcación que se encuentren muy próximos entre sí y <strong>de</strong>terminaremos la<br />
distancia entre ellos. Luego escogeremos dos puntos que posean mayor distancia entre sí. El intervalo <strong>de</strong> tiempo entre dos marcas<br />
es 0,1 seg. A partir <strong>de</strong> la distancia medida y <strong>de</strong>l tiempo calcularemos para ambos casos la velocidad.<br />
V1 = s = m =_____m/s<br />
m 0.1 s<br />
V2 = s = m =_____m/s<br />
m 0.1 s<br />
Resultados y Conclusiones:<br />
En un movimiento acelerado aumenta el intervalo entre los puntos <strong>de</strong> marcación, mientras que en un movimiento retardado<br />
disminuye dicho intervalo.<br />
En este experimento el carrito lleva a cabo un movimiento en el cual en intervalos <strong>de</strong> tiempo iguales no recorre distancias iguales.<br />
A este tipo <strong>de</strong> movimiento lo llamamos "movimiento variado".<br />
18
Práctica 11<br />
MOVIMIENTO UNIFORMEMENTE ACELERADO<br />
Objetivo:<br />
Calcular la aceleración <strong>de</strong>l carro para experimentos sobre la pista inclinada y <strong>de</strong>terminar la ley <strong>de</strong> la distancia para el movimiento<br />
acelerado<br />
Materiales:<br />
1 Pista<br />
1 Varilla soporte 10 cm.<br />
1 Carrito para experimentos<br />
3 Pesas <strong>de</strong> ranura 50 g<br />
2 Jinetes<br />
1 Nuez redonda<br />
1 Generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo<br />
1 Cinta métrica<br />
1 Cinta registradora<br />
1 Tijeras<br />
2 Cables <strong>de</strong> conexión<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Etiquetas adhesivas<br />
Introducción:<br />
Después <strong>de</strong>l movimiento rectilíneo uniforme, el tipo <strong>de</strong> movimiento más sencillo que tenemos, es el uniformemente acelerado. En<br />
éste, la velocidad no es una constante, sino que va cambiando <strong>de</strong> forma uniforme, ya sea que aumente o disminuya; razón por la<br />
cual a este tipo <strong>de</strong> movimiento también <strong>de</strong> le llama uniformemente variado.<br />
El movimiento uniformemente acelerado es aquel en el cual la velocidad se incrementa en cantida<strong>de</strong>s iguales y en tiempos iguales.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo a la ilustración.<br />
1) Colocamos la pista sobre la mesa y el carrito para experimentos junto con tres pesas ranuradas sobre la pista. La masa <strong>de</strong>l carrito<br />
es <strong>de</strong> 200g.<br />
2) Colocamos la varilla <strong>de</strong> soporte <strong>de</strong> 10 cm. en la nuez redonda. Elevamos un poco (aproximadamente 6 cm.) un extremo <strong>de</strong> la<br />
pista con ayuda <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte.<br />
3) Sobre el extremo elevado colocamos el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo. Sobre el otro extremo <strong>de</strong> la pista colocamos el jinete, el<br />
cual <strong>de</strong>berá evitar que el vagón rue<strong>de</strong> hacia abajo.<br />
4) Tiramos a través <strong>de</strong>l generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo una cinta <strong>de</strong> papel metalizado <strong>de</strong> aproximadamente 1 m <strong>de</strong> longitud y la<br />
fijamos al carrito con ayuda <strong>de</strong> una etiqueta adhesiva.<br />
5) Aseguramos el otro extremo <strong>de</strong> la cinta registradora a la pinza <strong>de</strong> cocodrilo <strong>de</strong>l generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo.<br />
6) Conectamos el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo a una tensión alterna <strong>de</strong> 1,5v.<br />
7) Deslizamos el vagón con la cinta completamente hasta el generador.<br />
8) Directamente frente al vagón colocamos un jinete para que lo <strong>de</strong>tenga.<br />
9) Conectamos el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo a una tensión <strong>de</strong> 1,5v.<br />
19
Experimento 1 y 2:<br />
1) Justamente antes <strong>de</strong> soltar el vagón ponemos la llave <strong>de</strong>l generador en posición 100ms. El carrito se mueve aceleradamente<br />
sobre la pista inclinada y se <strong>de</strong>tiene al final <strong>de</strong> ésta por el jinete.<br />
2) Retiramos la cinta registradora <strong>de</strong>l soporte.<br />
3) Medimos los intervalos entre las marcas en la cinta y los anotamos. Los intervalos correspon<strong>de</strong>n a las distancias recorridas en<br />
cada décima <strong>de</strong> segundo, las cuales aumentan uniformemente.<br />
Aumento <strong>de</strong> la distancia cada décima <strong>de</strong> segundo: ____ mm.<br />
Resultados y conclusiones<br />
Experimento 1<br />
Para obtener la aceleración a partir <strong>de</strong> lo anterior, <strong>de</strong>bemos reflexionar lo siguiente: la aceleración es el aumento <strong>de</strong> la velocidad en<br />
el intervalo <strong>de</strong> tiempo correspondiente. El aumento <strong>de</strong> la velocidad se obtiene como el aumento <strong>de</strong> la distancia en el intervalo <strong>de</strong><br />
tiempo. Un intervalo <strong>de</strong> tiempo dura 0,1 seg.<br />
Para la aceleración es válido:<br />
a= ∆v = ∆ ∆s = ∆s<br />
∆t ∆t ∆t (∆t) 2<br />
(∆t) 2 = 0.1 2 s 2 =0.01 s 2<br />
Por lo tanto, <strong>de</strong>bemos dividir el cambio <strong>de</strong> la distancia entre 0,01 o multiplicarlo por 100.<br />
La aceleración constante fue <strong>de</strong> ______m/s2<br />
Experimento 2<br />
1) Repetimos el experimento, pero esta vez en la posición" 10 ms", con lo que obtenemos una marca cada centésima <strong>de</strong> segundo.<br />
Al principio, los puntos se encuentran muy cerca unos <strong>de</strong> otros. Tan exactamente como es posible, intentamos contar los primeros<br />
10 puntos (po<strong>de</strong>mos comenzar aquí con 1", ya que la primera marca no es posible colocarla exactamente al principio <strong>de</strong>l<br />
movimiento sino un poco más tar<strong>de</strong>).<br />
2) Entonces contamos siempre 10 marcas más a<strong>de</strong>lante y así marcamos el recorrido durante las décimas <strong>de</strong> segundo.<br />
3) Medimos la distancia total <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el punto <strong>de</strong> partida (p. ej. 5, 19, 42, 84 mm, etc.) y la dividimos entre el cuadrado <strong>de</strong>l tiempo<br />
(0,01; 0,04; 0,09;...s).<br />
¿Indican todos los cocientes una relación con la velocidad?.<br />
Tiempo 0.1 0.2s 0.3s 0.4s 0.5s 0.6s 0.7s<br />
t 2 (en s 2 ) 0.01 0.04 0.09 0.06 0.25 0.36 0.49<br />
En mm<br />
En m<br />
s/t 2<br />
Conclusiones:<br />
Los cocientes s/t 2 nos dan la mitad <strong>de</strong> la aceleración.<br />
La ley <strong>de</strong> la distancia es la siguiente:<br />
s= (a/2) t 2<br />
Distancia total<br />
20
Práctica 12<br />
ACELERACIÓN <strong>DE</strong> LA GRAVEDAD<br />
Objetivo:<br />
Estudiar la caída libre <strong>de</strong> un objeto y medir la aceleración <strong>de</strong> la caída<br />
Material:<br />
1 Riel 50 cm.<br />
1 Platillo portapesas<br />
1 Cinta métrica<br />
1 Marcador<br />
1 Tijeras<br />
1 Rollo papel metálico<br />
2 Cables <strong>de</strong> conexión<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Etiquetas adhesivas<br />
Introducción:<br />
Cuando un cuerpo cae libremente sobre la superficie <strong>de</strong> la tierra, su velocidad instantánea va aumentando. Estudiando la manera en<br />
la cual aumenta esta velocidad se ha encontrado una aceleración constante cuyo valor es <strong>de</strong> 9.8 m/s2.<br />
El valor varía ligeramente <strong>de</strong> acuerdo a la latitud y altura <strong>de</strong> cada lugar.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo a la figura.<br />
1) Sujetar el marcador <strong>de</strong> tiempos sobre el riel <strong>de</strong> movimientos, se fija un extremo <strong>de</strong> una cinta <strong>de</strong> papel metálico <strong>de</strong> 1 m <strong>de</strong> largo<br />
en la pinza <strong>de</strong> cocodrilo <strong>de</strong>l marcador <strong>de</strong> tiempos, y el otro extremo se <strong>de</strong>sliza por <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> éste hasta que sobresalgan unos 10 cm.<br />
2) Se conecta el marcador a la fuente <strong>de</strong> alimentación. La llave <strong>de</strong>l marcador <strong>de</strong>be estar en la posición central.<br />
3) En el extremo libre <strong>de</strong> la cinta <strong>de</strong> papel se sujeta, pegando una etiqueta adhesiva, el porta pesas.<br />
4) Se sujeta la cinta <strong>de</strong> papel y se tensa con la mano. El porta pesas <strong>de</strong>be encontrarse fuera <strong>de</strong>l bor<strong>de</strong> <strong>de</strong> la mesa, <strong>de</strong> manera que<br />
pueda caer al suelo al comenzar el experimento.<br />
Experimento:<br />
1) Ponemos la llave <strong>de</strong>l marcador en la posición n 10 ms y al mismo tiempo liberamos la cinta. El porta pesas cae al suelo y<br />
arrastra la cinta a través <strong>de</strong>l marcador. Entonces volvemos a <strong>de</strong>sconectar el marcador (posición central) y quitamos la cinta <strong>de</strong> su<br />
sujeción.<br />
2) Sobre la cinta, partiendo <strong>de</strong> una marca <strong>de</strong> las primeras, contamos y señalamos tres series <strong>de</strong> 10 marcas <strong>de</strong> manera que tengamos<br />
tres caminos recorridos cada uno en una décima <strong>de</strong> segundo (10x10ms).<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Los tres caminos mi<strong>de</strong>n:<br />
s 1= _____ mm, s2= _____mm, s3= _____mm<br />
21
y ¿Cuánto han aumentado los caminos en esas décimas <strong>de</strong> segundo?<br />
s2 -s1 = _____mm = _____m s3 -s2 = _____mm = _____m<br />
Las distancias <strong>de</strong>ben expresarse en metros.<br />
Para la aceleración g, apelación <strong>de</strong> la gravedad, es válido:<br />
g= ∆v = ∆ ∆s = ∆s<br />
∆t ∆t ∆t (∆t) 2<br />
El aumento <strong>de</strong> la distancia <strong>de</strong>be por tanto dividirse entre 0,01 (0,1 2 ) o lo que es lo mismo, multiplicarse por 100.<br />
El valor <strong>de</strong> la aceleración <strong>de</strong> la gravedad es g = _____m/s 2<br />
Con ayuda <strong>de</strong>l marcador <strong>de</strong> tiempos se pue<strong>de</strong> calcular la aceleración <strong>de</strong> la gravedad. El valor teórico es: g = 9,81 m/s 2<br />
22
Objetivo:<br />
Conocer las variables cinéticas a consi<strong>de</strong>rar en el tiro parabólico.<br />
Material:<br />
Pelota <strong>de</strong> esponja<br />
Cámara digital<br />
Computadora portátil<br />
Software para captura <strong>de</strong> vi<strong>de</strong>o.<br />
Balanza Digital<br />
Práctica 13<br />
TIRO VERTICAL<br />
Introducción:<br />
Cuando tenemos una velocidad inicial hacia arriba V0 es conveniente agregarle un signo menos a g, para tener evi<strong>de</strong>nte que v0 y g<br />
tienen sentidos contrarios.<br />
Hagamos la siguiente observación: el cuerpo que se mueve hacia arriba seguirá subiendo en tanto tenga cierta velocidad hacia<br />
arriba, así que alcanzará su altura máxima cuando su velocidad hacia arriba sea cero.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Experimento 1:<br />
1) Realiza los procedimientos <strong>de</strong> Inicio, y conexión <strong>de</strong> la interfase con la computadora <strong>de</strong>scritos en “Guía <strong>de</strong><br />
captura experimentación, sensores y computadora” y “Guía para captura <strong>de</strong> imágenes en<br />
microscopia con cámara digital y computadora”<br />
2) Inicie el reconocimiento y prueba con la cámara <strong>de</strong> vi<strong>de</strong>o.<br />
3) Asigne dimensiones a la experiencia práctica (peso <strong>de</strong> la pelota, altura exacta).<br />
4) I<strong>de</strong>ntifique un área suficientemente contrastante (pared blanca o negra, no <strong>de</strong>l mismo color <strong>de</strong> la pelota).<br />
5) Inicie la captura <strong>de</strong> imágenes por medio <strong>de</strong> la cámara <strong>de</strong> vi<strong>de</strong>o digital y el software “Applied Visión”, a través <strong>de</strong> la<br />
computadora en formato *. AVI.<br />
4) Tome la pelota <strong>de</strong> esponja a 1.5 m <strong>de</strong> distancia <strong>de</strong>l suelo y permita que caiga.<br />
5) Termine la experiencia física, y guar<strong>de</strong> el archivo <strong>de</strong> vi<strong>de</strong>o generado.<br />
4) Edite el archivo <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el bote <strong>de</strong> la pelota al tocar el piso, hasta alcanzar la altura máxima <strong>de</strong>l primer bote.<br />
5) Abra el archivo <strong>de</strong> vi<strong>de</strong>o generados y cargue los datos <strong>de</strong> la experiencia práctica, al software “Vi<strong>de</strong>o Contents Analyzer”.<br />
5) Genere los datos respectivos <strong>de</strong> las variables <strong>de</strong>l tiro parabólico.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1) ¿Cual es la altura máxima que alcanza la pelota?<br />
2) ¿Cuanto tiempo tarda en subir la pelota?<br />
3) ¿Cuál es la energía cinética generada por la experiencia?<br />
4) ¿Cuál es la velocidad inicial <strong>de</strong>l experimento?<br />
4) Realice el cálculo sin la ayuda <strong>de</strong>l software y verifíquelos.<br />
23
Práctica 14<br />
TIRO PARABÓLICO<br />
“LANZAMIENTO <strong>DE</strong> UN BALÍN”<br />
Objetivo:<br />
Este experimento consiste en lanzar un balín <strong>de</strong>s<strong>de</strong> una rampa colocada a cierta altura, y se medirá la distancia horizontal <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la<br />
base <strong>de</strong> la rampa hasta el punto <strong>de</strong> caída <strong>de</strong>l balín.<br />
Determinar las variables dinámicas <strong>de</strong>l experimento.<br />
Material:<br />
Riel <strong>de</strong> 30 cm.<br />
Balín<br />
Transportador<br />
Papel carbón<br />
Hojas Blancas<br />
Varilla <strong>de</strong> soporte<br />
Introducción:<br />
El tiro parabólico se compone <strong>de</strong> 2 movimientos simultáneos: uno horizontal con velocidad constante y otro vertical con<br />
movimiento uniformemente acelerado, que es afectado por la aceleración <strong>de</strong> la gravedad y se expresa en función <strong>de</strong>l tiempo.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación<br />
1) Montaje <strong>de</strong> acuerdo a la figura.<br />
Lanzamiento <strong>de</strong>l balín mediante plano inclinado<br />
Experimento 1:<br />
1) Sobre una rampa colocada a cierta altura se coloca un balín, el cual <strong>de</strong>sliza y, al abandonar la rampa cae libremente <strong>de</strong>scribiendo<br />
una trayectoria parabólica.<br />
2) Con un papel carbón colocado sobre un papel blanco, el balín imprime con su caída <strong>de</strong>jando una marca en éste, observando <strong>de</strong><br />
esta forma su posición en el plano (x, y),<br />
3) La secuencia <strong>de</strong>scrita se realizará, al menos, para 5 alturas diferentes, teniendo cuidado <strong>de</strong> colocar el balín en el mismo punto <strong>de</strong><br />
partida sobre la rampa, cada vez que vaya a ser lanzado.<br />
24
Resultados y conclusiones:<br />
Para la realización <strong>de</strong>l reporte <strong>de</strong> este experimento, consi<strong>de</strong>re el punto <strong>de</strong> lanzamiento <strong>de</strong>l balín, que es el punto don<strong>de</strong> abandona la<br />
rampa, con coor<strong>de</strong>nadas x = y = 0.<br />
0 0<br />
1) Construya una gráfica x vs. y en papel cartesiano, y ajuste los puntos experimentales por el método <strong>de</strong> mínimos cuadrados.<br />
I<strong>de</strong>ntifique los parámetros <strong>de</strong> ajuste con las variables cinemáticas <strong>de</strong>l movimiento. Trace la curva ajustada en la gráfica x vs. y.<br />
2) Determine el valor <strong>de</strong> la velocidad v0 (magnitud y dirección) con la cual el balín es lanzado <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la rampa. Use el valor <strong>de</strong> la<br />
gravedad g = 9.8 m/ s.<br />
3) Determine el tiempo y la velocidad v con la cual el balín cae al piso para cada una <strong>de</strong> las diferentes alturas consi<strong>de</strong>radas.<br />
4) Con la geometría <strong>de</strong> la rampa, <strong>de</strong>termine el valor <strong>de</strong> la velocidad v0 con la cual el balín es lanzado <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la rampa y compárelo<br />
con el valor obtenido en la pregunta 2).<br />
5) Consi<strong>de</strong>re y discuta las posibles causas por las cuales ambos cálculos dan un resultado diferente para la misma cantidad.<br />
25
Objetivo:<br />
Estudiar el movimiento circular y la fuerza centrípeta<br />
Material:<br />
2 Soportes Universales con sus bases<br />
2 Nueces rectas<br />
2 Pinzas <strong>de</strong> Tres <strong>de</strong>dos.<br />
1 Bulón.<br />
2 Nueces universales.<br />
1 Varilla <strong>de</strong> 1 x 6 cm.<br />
1 Motor <strong>de</strong> 6 Volts.<br />
1 Liga.<br />
1 Cabezal <strong>de</strong> motor para polea.<br />
1 Foto-puerta<br />
1 Varilla <strong>de</strong> foto-puerta.<br />
2 Cables banana caimán<br />
1 Fuente <strong>de</strong> po<strong>de</strong>r.<br />
1 Interfase colectora <strong>de</strong> datos.<br />
1 Computadora portátil.<br />
Práctica 15<br />
MOVIMIENTO CIRCULAR Y FUERZA CENTRIPETA<br />
Introducción:<br />
El movimiento circular es el que se basa en un eje <strong>de</strong> giro y radio constante: este será una circunferencia. Si, a<strong>de</strong>más, la velocidad<br />
<strong>de</strong> giro es constante, se produce el movimiento circular uniforme, que es un caso particular <strong>de</strong> movimiento circular, con radio fijo y<br />
velocidad angular constante.<br />
El cociente <strong>de</strong>l <strong>de</strong>splazamiento entre el tiempo empleado en tal <strong>de</strong>splazamiento es llamado velocidad angular.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Figura 1, arreglo para evaluar el movimiento circular<br />
Experimento 1:<br />
1) Realiza los procedimientos <strong>de</strong> Inicio, y conexión <strong>de</strong> la interfase con la computadora <strong>de</strong>scritos en “Guía De Experimentación<br />
Con Interfase, Sensores Y Computadora (Software Excel)”, Inicia el Programa Excel para la adquisición <strong>de</strong> datos con el sensor<br />
fotopuerta. Determina el intervalo <strong>de</strong> tiempo para las mediciones por medio <strong>de</strong>l temporizador.<br />
2) Dispóngase a montar el experimento según la figura utilizando la liga como una banda entre el motor y la polea<br />
3) Conecte el motor a la fuente <strong>de</strong> po<strong>de</strong>r por medio <strong>de</strong> los cables <strong>de</strong> conexión.<br />
4) Coloque una etiqueta sobre la polea a la altura <strong>de</strong>l paso <strong>de</strong> la foto-puerta para que sea censada.<br />
26
5) Encienda el motor, procure que la velocidad <strong>de</strong>l motor no sea <strong>de</strong>masiado rápida para po<strong>de</strong>r apreciar el comportamiento <strong>de</strong>l<br />
experimento<br />
6) Inicie la recolección <strong>de</strong> datos mientras la etiqueta pasa por la foto-puerta<br />
7) Registre los movimientos con la foto-puerta, al recorrer una circunferencia y tomar datos sobre un punto, se podrán obtener<br />
datos <strong>de</strong>l número <strong>de</strong> veces que la pesa pasa por la foto-puerta por minuto lo que equivaldría a revoluciones por minuto. RPM<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1) ¿Cual es el diámetro <strong>de</strong>l círculo <strong>de</strong> la polea?<br />
2) ¿Cuanto tiempo tarda la polea en girar 1 vuelta?<br />
3) Con los datos <strong>de</strong> las preguntas anteriores calcule la magnitud <strong>de</strong> la velocidad <strong>de</strong> la polea, su fuerza centrípeta y la frecuencia.<br />
27
Práctica 16<br />
ECUACIÓN FUNDAMENTAL <strong>DE</strong> LA DINÁMICA Y <strong>DE</strong>FINICIÓN <strong>DE</strong> NEWTON<br />
Objetivo:<br />
Estudiar la <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ncia <strong>de</strong> la aceleración <strong>de</strong> la fuerza activa y <strong>de</strong> la masa a acelerar y conocer la ecuación fundamental <strong>de</strong> la<br />
dinámica así como la <strong>de</strong>finición <strong>de</strong> Newton.<br />
Material:<br />
1 Pista<br />
1 Varilla soporte 6 cm.<br />
1 Carrito para experimentos<br />
1 Pesa ranurada <strong>de</strong> 10 g<br />
3 Pesa ranurada <strong>de</strong> 50 g<br />
1 porta pesas<br />
2 jinetes<br />
1 polea con estribo<br />
1 generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo<br />
1 cinta métrica<br />
1 cinta registradora<br />
1 tijeras<br />
Cordón<br />
2 cables <strong>de</strong> conexión<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Etiquetas adhesivas<br />
Introducción:<br />
La dinámica es la parte <strong>de</strong> la física que <strong>de</strong>scribe la evolución en el tiempo <strong>de</strong> un sistema físico en relación a las causas que<br />
provocan los cambios <strong>de</strong> estado físico y/o estado <strong>de</strong> movimiento. El objetivo <strong>de</strong> la dinámica es <strong>de</strong>scribir los factores capaces <strong>de</strong><br />
producir alteraciones <strong>de</strong> un sistema físico, cuantificarlos y plantear ecuaciones <strong>de</strong> movimiento o ecuaciones <strong>de</strong> evolución para<br />
dicho sistema.<br />
El estudio <strong>de</strong> la dinámica es prominente en los sistemas mecánicos (clásicos, relativistas o cuánticos), pero también el<br />
termodinámica y electrodinámica<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo a la ilustración.<br />
1) Colocamos la pista sobre la mesa y el vagón para experimentos (junto con 3 pesas ranuradas) sobre la pista.<br />
2) Elevamos un poco un extremo <strong>de</strong> la pista (aproximadamente 1,5 cm.) con ayuda <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte <strong>de</strong> 6 cm. Esta elevación<br />
<strong>de</strong>berá contrarrestar el rozamiento.<br />
3) Sobre el extremo elevado colocamos el jinete, el cual <strong>de</strong>berá evitar que el vagón rue<strong>de</strong> hacia abajo.<br />
4) Fijamos la polea en la perforación <strong>de</strong> la pista.<br />
5) Pasamos a través <strong>de</strong>l generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo una cinta <strong>de</strong> papel metalizado <strong>de</strong> aproximadamente 1 m <strong>de</strong> longitud y la<br />
fijamos al vagón con ayuda <strong>de</strong> una etiqueta adhesiva.<br />
28
6) Aseguramos el otro extremo <strong>de</strong> la cinta registradora a la pinza <strong>de</strong> cocodrilo en el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo. Conectamos el<br />
generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo a una tensión alterna <strong>de</strong> 15 V.<br />
7) Deslizamos el vagón completamente hasta el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo. Si el ajuste <strong>de</strong> la altura es correcto, el vagón no<br />
<strong>de</strong>be rodar por sí solo. Si empujamos ligeramente el vagón, éste <strong>de</strong>berá rodar sobre la pista con una velocidad constante. Si el<br />
vagón disminuyera <strong>de</strong> velocidad <strong>de</strong>beremos revisar la compensación <strong>de</strong>l rozamiento.<br />
8) Directamente frente al vagón colocamos un jinete sobre la pista para que <strong>de</strong>tenga el vagón.<br />
9) Atamos una cinta a un cordón <strong>de</strong> unos 1,5 m <strong>de</strong> longitud. Colgamos el cordón <strong>de</strong>l vagón para experimentos, lo llevamos sobre la<br />
polea y suspen<strong>de</strong>mos el plato para pesos <strong>de</strong> la cinta <strong>de</strong>l cordón.<br />
10) La masa <strong>de</strong>l platillo para pesas es <strong>de</strong> 10 g., la fuerza activa es por el momento <strong>de</strong> 0,1 N.<br />
Experimento 1<br />
1) La masa a acelerar está compuesta por el vagón y por la masa <strong>de</strong>l peso propulsor. Mantenemos la masa constante <strong>de</strong> 220 g., el<br />
peso propulsor es primeramente 10 g y luego lo elevamos a 20 g (colocando un peso <strong>de</strong> ranura <strong>de</strong> 10g), <strong>de</strong> esta manera doblamos<br />
la fuerza activa (a 0,2 N).<br />
2) Sostenemos firmemente el vagón y retiramos el jinete. Entonces soltamos el vagón, este es <strong>de</strong>tenido al final <strong>de</strong> la pista por el<br />
jinete, evitando que caiga. Determinamos con ayuda <strong>de</strong> la fórmula dada la aceleración a.<br />
A= 2*s/t 2<br />
Experimento 2<br />
1) Manteniendo la fuerza propulsora constante (0,1 N el peso <strong>de</strong>l platillo para pesas) doblamos la masa total colocando en el vagón<br />
primeramente una pesa ranurada <strong>de</strong> 50g (total 100g + 10 g) y luego tres veces 50g y 10 g (total 210 g + 10g).<br />
Aceleración con una masa 110 g: _____m/s 2<br />
Aceleración con una masa 220 g: _____m/s 2<br />
La aceleración es indirectamente proporcional a la masa.<br />
Experimento 3<br />
Determinamos <strong>de</strong> nuevo la aceleración con ayuda <strong>de</strong>l generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo. La masa <strong>de</strong>l vagón es <strong>de</strong> 180 g (vagón + 2<br />
veces 50 g + 3 veces 10 g), la fuerza es ejercida por la fuerza <strong>de</strong>l peso <strong>de</strong> 20 g (platillo + pesa ranurada <strong>de</strong> 10 g) y es por lo tanto<br />
<strong>de</strong> 0,2 N. la masa total es <strong>de</strong> 0,2 kg.<br />
La aceleración es <strong>de</strong> _____m/s2<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Experimento 1<br />
Aceleración con una fuerza 0,1 N: _____ m/s 2<br />
Aceleración con una fuerza 0,2 N: _____ m/s 2<br />
La aceleración es proporcional a la fuerza.<br />
Experimento 2<br />
Juntamos los experimentos parciales hasta ahora realizados y comparamos las medidas <strong>de</strong> la fuerza y <strong>de</strong> los productos <strong>de</strong> la masa y<br />
<strong>de</strong> la aceleración:<br />
Fuerza F (N) Masa m (Kg.) Aceleración a (m/s 2 ) m*a<br />
0,1 0,22<br />
0,2 0.22<br />
0.1 0.11<br />
0.1 0.22<br />
Tomamos <strong>de</strong> los experimentos 1 y 2 los datos para llevar a cabo el siguiente razonamiento:<br />
Fuerza 0.2 N Masa 0.2 Kg. _____m/s 2<br />
Fuerza 1.0 N Masa 0.2 Kg. _____m/s 2<br />
Fuerza 1.0 N Masa 1.0 Kg. _____m/s 2<br />
Conclusiones<br />
1. La aceleración es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la masa a acelerar.<br />
2. 1 Newton es la fuerza necesaria para producir sobre una masa <strong>de</strong> 1 Kg. una aceleración <strong>de</strong> 1 m/s 2<br />
29
Objetivo:<br />
Determinación dinámica <strong>de</strong> la masa<br />
Material:<br />
1 pista<br />
2 jinetes<br />
2 carritos <strong>de</strong> experimentación<br />
1 muelle para carritos<br />
4 pesas 50 g<br />
1 tijeras<br />
1 cordón<br />
Cerillos<br />
Práctica 17<br />
<strong>DE</strong>TERMINACION DINAMICA <strong>DE</strong> LA MASA<br />
Introducción:<br />
La Primera ley <strong>de</strong> Newton nos dice que para que un cuerpo altere su movimiento es necesario que exista algo que provoque dicho<br />
cambio. Ese algo es lo que conocemos como fuerzas. Estas son el resultado <strong>de</strong> la acción <strong>de</strong> unos cuerpos sobre otros.<br />
La Segunda ley <strong>de</strong> Newton se encarga <strong>de</strong> cuantificar el concepto <strong>de</strong> fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es<br />
proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante <strong>de</strong> proporcionalidad es la masa <strong>de</strong>l cuerpo, <strong>de</strong> manera que<br />
po<strong>de</strong>mos expresar la relación <strong>de</strong> la siguiente manera:<br />
F = m a<br />
Tanto la fuerza como la aceleración son magnitu<strong>de</strong>s vectoriales, es <strong>de</strong>cir, tienen, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> un valor, una dirección y un sentido.<br />
De esta manera, la Segunda ley <strong>de</strong> Newton <strong>de</strong>be expresarse como:<br />
F = m a<br />
La unidad <strong>de</strong> fuerza en el Sistema Internacional es el Newton y se representa por N. Un Newton es la fuerza que hay que ejercer<br />
sobre un cuerpo <strong>de</strong> un kilogramo <strong>de</strong> masa para que adquiera una aceleración <strong>de</strong> 1 m/s2, o sea:<br />
1 N = 1 Kg. · 1 m/s2<br />
La expresión <strong>de</strong> la Segunda ley <strong>de</strong> Newton que hemos dado es válida para cuerpos cuya masa sea constante. Si la masa varia, como<br />
por ejemplo un cohete que va quemando combustible, no es válida la relación F = m · a. Vamos a generalizar la Segunda ley <strong>de</strong><br />
Newton para que incluya el caso <strong>de</strong> sistemas en los que pueda variar la masa.<br />
Para ello primero vamos a <strong>de</strong>finir una magnitud física nueva. Esta magnitud física es la cantidad <strong>de</strong> movimiento que se representa<br />
por la letra p y que se <strong>de</strong>fine como el producto <strong>de</strong> la masa <strong>de</strong> un cuerpo por su velocidad, es <strong>de</strong>cir:<br />
p = m · v<br />
La cantidad <strong>de</strong> movimiento también se conoce como momento lineal. Es una magnitud vectorial y, en el Sistema Internacional se<br />
mi<strong>de</strong> en Kg·m/s. En términos <strong>de</strong> esta nueva magnitud física, la Segunda ley <strong>de</strong> Newton se expresa <strong>de</strong> la siguiente manera:<br />
La Fuerza que actúa sobre un cuerpo es igual a la variación temporal <strong>de</strong> la cantidad <strong>de</strong> movimiento <strong>de</strong> dicho cuerpo, es <strong>de</strong>cir;<br />
F = dp/dt<br />
De esta forma incluimos también el caso <strong>de</strong> cuerpos cuya masa no sea constante. Para el caso <strong>de</strong> que la masa sea constante,<br />
recordando la <strong>de</strong>finición <strong>de</strong> cantidad <strong>de</strong> movimiento y que como se <strong>de</strong>riva un producto tenemos:<br />
F = d(m·v)/dt = m·dv/dt + dm/dt ·v<br />
30
Como la masa es constante<br />
dm/dt = 0<br />
y recordando la <strong>de</strong>finición <strong>de</strong> aceleración, nos queda<br />
F = m a<br />
tal y como habíamos visto anteriormente.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo a la ilustración.<br />
1) Para todas las mediciones preparamos una laza, cuya longitud total estando extendida sea <strong>de</strong> 25- 30 cm.<br />
2) Colocamos esta laza sobre los extremos <strong>de</strong>l muelle <strong>de</strong>l vagón para experimentos.<br />
3) Acercamos ambos vagones para experimentos hasta que el muelle (con la laza) se sostenga con sus muescas entre ambos<br />
vagones. Ambos vagones para experimentos se encuentran en el centro <strong>de</strong> la pista.<br />
Experimento:<br />
1) Quemamos completamente la laza con ayuda <strong>de</strong> un fósforo, con lo que comienza el movimiento <strong>de</strong> ambas masas.<br />
2) Medimos la velocidad ajustando previamente la relación entre las velocida<strong>de</strong>s dada por el teorema <strong>de</strong>l impulso, es <strong>de</strong>cir, la<br />
relación entre las distancias recorridas en tiempos iguales. Proporcionamos continuamente la posición <strong>de</strong> los lados exteriores <strong>de</strong><br />
ambos vagones (posición inicial) y colocamos un jinete al final <strong>de</strong> la distancia previamente ajustada (posición final). Los dos<br />
vagones <strong>de</strong>ben chocar simultáneamente contra los jinetes.<br />
3) Ajustamos sucesivamente el peso dados por la tabla colocando pesos <strong>de</strong> ranura y llevamos a cabo el experimento.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Masas Relación Posición inicial Posición final<br />
Izquierda Derecha entre las<br />
masas<br />
Izquierda Derecha Izquierda Derecha<br />
100 g 100g 25 52 10 67<br />
200g 100g 15 42 0 72<br />
150g 100g 20 47 10 62<br />
150g 50g 20 47 10 77<br />
200g 50g 20 47 10 87<br />
31<br />
Relación<br />
entre las<br />
distancias<br />
Conclusión: si dos cuerpos actúan uno sobre el otro, es posible calcular la masa <strong>de</strong> un cuerpo a partir <strong>de</strong> la relación entre las<br />
velocida<strong>de</strong>s <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la interacción y a partir <strong>de</strong>l conocimiento <strong>de</strong> la masa <strong>de</strong>l otro cuerpo.<br />
Para el caso <strong>de</strong> que dos masas que se encuentren en reposo se pongan en movimiento repeliéndose mutuamente por medio <strong>de</strong> una<br />
acción opuesta <strong>de</strong> fuerzas, el teorema <strong>de</strong>l impulso nos dice que las velocida<strong>de</strong>s se comportan inversamente proporcionales a las<br />
masas. Esto posibilita la <strong>de</strong>terminación dinámica <strong>de</strong> la masa.
Objetivo:<br />
Medir la aceleración <strong>de</strong> la gravedad<br />
Material:<br />
1 Riel soporte 30 cm.<br />
1 Varilla soporte 25 cm.<br />
1 Varilla soporte 50 cm.<br />
1 Pinza <strong>de</strong> mesa<br />
2 Nueces<br />
1 Nuez redonda<br />
1 Espiga <strong>de</strong> cojinetes<br />
1 Portapesas<br />
2 Pesas ranuradas 50 g<br />
1 Cinta métrica<br />
1 Cordón<br />
1 Tijeras<br />
Material auxiliar:<br />
1 cronómetro<br />
Práctica 18<br />
MEDIDA <strong>DE</strong> LA ACELERACIÓN <strong>DE</strong> LA GRAVEDAD<br />
Introducción:<br />
Según las leyes <strong>de</strong> Newton, toda fuerza ejercida sobre un cuerpo le imprime una aceleración. En presencia <strong>de</strong> un campo<br />
gravitatorio, todo cuerpo se ve sometido a la fuerza <strong>de</strong> la gravedad, y la aceleración que imprime esta fuerza, o aceleración en cada<br />
punto <strong>de</strong>l campo, se <strong>de</strong>nomina intensidad <strong>de</strong>l campo gravitatorio.<br />
Para la superficie <strong>de</strong> la Tierra, la aceleración <strong>de</strong> la gravedad es <strong>de</strong> 9,8 m/s 2 . Este valor <strong>de</strong> g es consi<strong>de</strong>rado como el valor <strong>de</strong><br />
referencia y, así, se habla <strong>de</strong> naves o vehículos que aceleran a varios g. En virtud <strong>de</strong>l principio <strong>de</strong> equivalencia, un cuerpo bajo una<br />
aceleración dada sufre los mismos efectos que si estuviese sometido a un campo gravitatorio cuya aceleración gravitatoria fuese la<br />
misma.<br />
Antes <strong>de</strong> Galileo Galilei se creía que un cuerpo pesado cae más <strong>de</strong>prisa que otro <strong>de</strong> menos peso. Según cuenta una leyenda, Galileo<br />
subió a la torre inclinada <strong>de</strong> Pisa y arrojó dos objetos <strong>de</strong> masa diferente para <strong>de</strong>mostrar que el tiempo <strong>de</strong> caída libre era,<br />
virtualmente, el mismo para ambos. En realidad, se cree hacía rodar cuerpos en planos inclinados y, <strong>de</strong> esta forma, medía <strong>de</strong><br />
manera más precisa la aceleración.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación:<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo a la ilustración.<br />
1) Sujetamos la pinza <strong>de</strong> mesa con el riel <strong>de</strong> soporte a la superficie <strong>de</strong> la mesa.<br />
2) Fijamos perpendicularmente la varilla <strong>de</strong> soporte a la superficie <strong>de</strong> la mesa.<br />
3) Fijamos perpendicularmente la varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm. sobre el riel <strong>de</strong> soporte.<br />
4) Sobre la varilla <strong>de</strong> soporte fijamos primero la nuez inferior paralela a la superficie <strong>de</strong> la mesa.<br />
5) Colocando la varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm. por medio <strong>de</strong> la nuez redonda prolongamos la varilla <strong>de</strong> soporte.<br />
32
6) Fijamos la nuez superior <strong>de</strong> tal manera que se proyecte hacia a<strong>de</strong>lante.<br />
7) Fijamos el bulón <strong>de</strong> cojinetes a la nuez superior <strong>de</strong> tal manera que se proyecte lo más posible sobre la mesa hacia afuera.<br />
8) Suspen<strong>de</strong>mos el platillo para pesos <strong>de</strong> un cordón <strong>de</strong> unos 1.7 m <strong>de</strong> longitud.<br />
9) Atamos una gaza en el otro extremo <strong>de</strong>l cordón y lo llevamos a través <strong>de</strong> la perforación <strong>de</strong>l bulón <strong>de</strong> cojinetes.<br />
10) Enganchamos el cordón en el tornillo moleteado <strong>de</strong> la nuez inferior.<br />
11) Desplazando la nuez po<strong>de</strong>mos ajustar la longitud <strong>de</strong>l péndulo. La longitud <strong>de</strong>l péndulo es la distancia <strong>de</strong>l bulón <strong>de</strong> cojinetes<br />
hasta el centro <strong>de</strong> gravedad <strong>de</strong> la masa suspendida.<br />
12) Colocamos 2 pesas ranuradas <strong>de</strong> 50 g sobre el platillo para pesas. El centro <strong>de</strong> gravedad <strong>de</strong> la masa se encuentra<br />
aproximadamente en el centro entre ambas pesas ranuradas la longitud <strong>de</strong>l péndulo <strong>de</strong>be <strong>de</strong> ser <strong>de</strong> unos 70-90 cm.<br />
13) Medimos la longitud <strong>de</strong>l péndulo exactamente hasta los mm.<br />
Experimento 1:<br />
1) Medimos el tiempo para 10 oscilaciones y calculamos a partir <strong>de</strong>l mismo el tiempo T para 1 oscilación.<br />
Tiempo para 10 oscilaciones:_____s<br />
Duración <strong>de</strong> la oscilación:_____s<br />
De la fórmula para la duración <strong>de</strong> la oscilación<br />
T = 2π I/g<br />
Obtenemos la aceleración <strong>de</strong> la gravedad g con<br />
g = 4*π2*l<br />
T 2<br />
Resultado: g = _____m/s 2<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Por medio <strong>de</strong> un péndulo <strong>de</strong> hilo, con longitud <strong>de</strong> péndulo conocida, po<strong>de</strong>mos calcular la aceleración <strong>de</strong> la gravedad. El valor<br />
exacto es <strong>de</strong> 9.81 m/s 2<br />
Calculamos la aceleración <strong>de</strong> la gravedad para longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> péndulo, las cuales se obtienen sumando o restando 5 mm. a la<br />
longitud <strong>de</strong> péndulo a medir. Observemos la fuerte influencia <strong>de</strong>l error al medir la longitud.<br />
g= _____m/s 2 para I = 1 + 5 mm<br />
g= _____m/s 2 para I = 1 - 5 mm<br />
33
Práctica 19<br />
MEDICIÓN <strong>DE</strong> FUERZA<br />
Objetivo:<br />
Reconocer el concepto <strong>de</strong> fuerza, interpretar sus unida<strong>de</strong>s y realizar un ejemplo <strong>de</strong>mostrativo al respecto. Medir la fuerza que se<br />
necesita para <strong>de</strong>formar un cuerpo elástico.<br />
Material:<br />
1 Muelle helicoidal duro<br />
1 Dinamómetro 2 N<br />
1 Hoja <strong>de</strong> papel<br />
Introducción:<br />
Se <strong>de</strong>nomina fuerza a cualquier acción o influencia capaz <strong>de</strong> modificar el estado <strong>de</strong> movimiento o <strong>de</strong> reposo <strong>de</strong> un cuerpo, es <strong>de</strong>cir,<br />
<strong>de</strong> imprimirle una aceleración modificando su velocidad.<br />
La expresión matemática <strong>de</strong> este concepto físico es la siguiente:<br />
F= M*A<br />
Don<strong>de</strong> F = fuerza<br />
M= masa<br />
A= Aceleración<br />
Este concepto es una magnitud vectorial <strong>de</strong>terminada por dirección y sentido <strong>de</strong> su aplicación<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación:<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo a ilustración<br />
1) Colocamos el muelle helicoidal sobre una hoja <strong>de</strong> papel como se indica en la ilustración y marcamos sobre la misma su extremo<br />
(éste <strong>de</strong>be estar aprox. en el centro <strong>de</strong> la hoja). A continuación marcamos 5 puntos a intervalos <strong>de</strong> 2 cm. respectivamente a partir<br />
<strong>de</strong>l extremo.<br />
Experimento:<br />
1) Enganchamos el dinamómetro 2 N al extremo <strong>de</strong>recho <strong>de</strong>l muelle y sostenemos el extremo izquierdo <strong>de</strong>l muelle.<br />
2) Tiramos <strong>de</strong>l dinamómetro y leemos qué fuerza se necesita para la rotación <strong>de</strong>l muelle hasta la marca respectiva.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Trasladamos los resultados a la tabla. 1<br />
Alargamiento <strong>de</strong>l muelle 2cm 4 cm. 6 cm. 8 cm. 10 cm.<br />
Fuerza necesaria (N)<br />
Necesitamos una fuerza para po<strong>de</strong>r rotar un muelle helicoidal.<br />
Esa fuerza se mi<strong>de</strong> con el dinamómetro.<br />
Mientras más alarguemos el muelle, más fuerza necesitaremos.<br />
Resultados y Conclusiones:<br />
¿Cuáles son las variables que en este experimento <strong>de</strong>terminan el concepto <strong>de</strong> Fuerza?<br />
¿Como es la proporcionalidad <strong>de</strong> la fuerza <strong>de</strong>bida la restitución <strong>de</strong>l resorte cuando este se somete a <strong>de</strong>formación con el<br />
dinamómetro?.<br />
Una vez alcanzado el valor <strong>de</strong> fuerza en el dinamómetro a los diez centímetros <strong>de</strong> elongación, <strong>de</strong>splace el dinamómetro hacia el<br />
resorte ¿Cuáles son los resultados?, ¿Respecto al concepto <strong>de</strong> que la fuerza es una magnitud vectorial como explicaría los<br />
resultados obtenidos?.<br />
34
Práctica 20<br />
FUERZA <strong>DE</strong> ROZAMIENTO<br />
Objetivo:<br />
Aplicar los conocimientos relativos a las fuerzas no conservativas, <strong>de</strong>terminar las variables que afectan al movimiento respecto a la<br />
fricción.<br />
Medir fuerza <strong>de</strong> <strong>de</strong>slizamiento y <strong>de</strong> rodamiento<br />
Material:<br />
1 Paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio<br />
1 Paralelepípedo <strong>de</strong> hierro pequeño<br />
1 Vagón para experimentos<br />
1 Dinamómetro 2 N<br />
2 Pesas ranuradas 50 g<br />
Introducción:<br />
Se <strong>de</strong>fine como fuerza <strong>de</strong> rozamiento o fuerza <strong>de</strong> fricción entre dos superficies en contacto a la fuerza que se opone al movimiento<br />
<strong>de</strong> una superficie sobre la otra (fuerza <strong>de</strong> fricción cinética) o a la fuerza que se opone al inicio <strong>de</strong>l movimiento (fuerza <strong>de</strong> fricción<br />
estática). Se genera <strong>de</strong>bido a las imperfecciones, especialmente microscópicas, entre las superficies en contacto. Estas<br />
imperfecciones hacen que la fuerza entre ambas superficies no sea perfectamente perpendicular a éstas, sino que forma un ángulo φ<br />
con la normal (el ángulo <strong>de</strong> rozamiento). Por tanto, esta fuerza resultante se compone <strong>de</strong> la fuerza normal (perpendicular a las<br />
superficies en contacto) y <strong>de</strong> la fuerza <strong>de</strong> rozamiento, paralela a las superficies en contacto.<br />
Leyes <strong>de</strong>l rozamiento para cuerpos sólidos<br />
• La fuerza <strong>de</strong> rozamiento se encuentra en la dirección <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong> apoyo.<br />
• El coeficiente <strong>de</strong> rozamiento es prácticamente in<strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong>l área <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong> contacto.<br />
• El coeficiente <strong>de</strong> rozamiento <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la naturaleza <strong>de</strong> los cuerpos en contacto, así como <strong>de</strong>l estado en que se<br />
encuentren sus superficies.<br />
• La fuerza máxima <strong>de</strong> rozamiento es directamente proporcional a la fuerza normal que actúa entre las superficies <strong>de</strong><br />
contacto.<br />
• Para un mismo par <strong>de</strong> cuerpos, el rozamiento es mayor un instante antes <strong>de</strong>l movimiento que cuando se está en<br />
movimiento.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación:<br />
1) Determinamos el peso <strong>de</strong>l paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio y <strong>de</strong>l pequeño paralelepípedo <strong>de</strong> hierro. El peso <strong>de</strong>l pequeño<br />
paralelepípedo <strong>de</strong> hierro <strong>de</strong>be ser tan gran<strong>de</strong> como el peso <strong>de</strong>l paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio.<br />
Peso <strong>de</strong>l paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio: ______N.<br />
Peso <strong>de</strong>l paralelepípedo pequeño <strong>de</strong> hierro: _____N.<br />
Experimento 1:<br />
1) El paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio posee un gancho en la dirección longitudinal. A este enganchamos el dinamómetro 2 N.<br />
2) Colocamos el paralelepípedo sobre una hoja <strong>de</strong> papel no muy lisa y le cargamos adicionalmente con 2 pesas ranuradas <strong>de</strong> 50 g.<br />
El peso total es: _____N<br />
35
3) Tiramos <strong>de</strong>l paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio con el dinamómetro hasta que lo pongamos en movimiento. La fuerza máxima efectiva<br />
la llamamos "rozamiento <strong>de</strong> adhesión".<br />
El rozamiento <strong>de</strong> adhesión con un peso <strong>de</strong> 2 N es: _____N<br />
Experimento 2:<br />
1) Tiramos <strong>de</strong>l paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio con el dinamómetro <strong>de</strong> tal manera que este se mueva más o menos uniforme. La fuerza<br />
indicada por el dinamómetro es el "rozamiento <strong>de</strong> <strong>de</strong>slizamiento”<br />
El rozamiento <strong>de</strong> <strong>de</strong>slizamiento con un peso <strong>de</strong> 2 N es: _____N.<br />
Experimento 3:<br />
1) Reemplazamos el paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio por el pequeño paralelepípedo <strong>de</strong> hierro y lo cargamos <strong>de</strong> la misma manera con<br />
ambas pesas ranuradas. El peso no varía, pero la superficie <strong>de</strong> apoyo ha disminuido. Determinamos <strong>de</strong> nuevo como en el segundo<br />
experimento<br />
Rozamiento <strong>de</strong> <strong>de</strong>slizamiento. ¿Ha disminuido?.<br />
Rozamiento <strong>de</strong> <strong>de</strong>slizamiento con una superficie menor: _____N.<br />
Experimento 4:<br />
1) Retiramos ambas pesas ranuradas <strong>de</strong>l paralelepípedo <strong>de</strong> hierro, disminuyendo así el peso en la mitad. Luego medimos <strong>de</strong> nuevo<br />
el rozamiento <strong>de</strong> <strong>de</strong>slizamiento.<br />
Rozamiento <strong>de</strong> <strong>de</strong>slizamiento sin carga adicional (peso 1 N): _____N.<br />
Experimento 5:<br />
1) Cargamos <strong>de</strong> nuevo el paralelepípedo <strong>de</strong> hierro con las dos pesas <strong>de</strong> 50g e investigamos la influencia <strong>de</strong> la superficie sobre el<br />
rozamiento <strong>de</strong> <strong>de</strong>slizamiento. Medimos el rozamiento <strong>de</strong> <strong>de</strong>slizamiento al moverse el cuerpo sobre un pañuelo <strong>de</strong> papel y sobre una<br />
hoja lisa <strong>de</strong> papel.<br />
Rozamiento <strong>de</strong> <strong>de</strong>slizamiento con un peso <strong>de</strong> 2 N sobre un pañuelo <strong>de</strong> papel: _____ N.<br />
Experimento 6:<br />
1) Colocamos el pequeño paralelepípedo <strong>de</strong> hierro con una pesa ranurada <strong>de</strong> 50 g sobre el vagón para experimentos. La masa <strong>de</strong>l<br />
vagón sustituye a la segunda pesa ranurada <strong>de</strong> 50 g. Determinamos ahora el "rozamiento <strong>de</strong> rodamiento": tiramos <strong>de</strong>l vagón con el<br />
dinamómetro y lo movemos lo más uniformemente posible sobre la hoja <strong>de</strong> papel.<br />
Rozamiento <strong>de</strong> rodamiento con un peso <strong>de</strong> 2 N sobre el papel:_____N<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1) El rozamiento <strong>de</strong> adhesión es mayor que el rozamiento <strong>de</strong> <strong>de</strong>slizamiento. El rozamiento <strong>de</strong> rodamiento es menor que el <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>slizamiento.<br />
2) El rozamiento <strong>de</strong> <strong>de</strong>slizamiento <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong>l peso <strong>de</strong>l cuerpo pero no <strong>de</strong>l tamaño <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong> apoyo.<br />
36
Práctica 21<br />
ALARGAMIENTO <strong>DE</strong> UN MUELLE HELICOIDAL - LEY <strong>DE</strong> HOOKE<br />
Objetivo:<br />
Estudiar la relación entre alargamiento <strong>de</strong> un muelle y la fuerza empleada. Reconocer el concepto <strong>de</strong>l estipulado por Hooke,<br />
enten<strong>de</strong>r la naturaleza <strong>de</strong> la constante <strong>de</strong> elongación <strong>de</strong> un resorte.<br />
Material:<br />
1 riel <strong>de</strong> soporte<br />
1 varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm.<br />
1 varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm.<br />
1 pinza <strong>de</strong> mesa<br />
1 nuez<br />
1 nuez redonda<br />
1 bufón <strong>de</strong> cojinetes<br />
1 platillo para pesas ranuradas<br />
2 pesos con ranura 50 g<br />
1 muelle helicoidal blando<br />
1 muelle helicoidal duro<br />
1 cinta métrica<br />
Introducción:<br />
En física, la ley <strong>de</strong> elasticidad <strong>de</strong> Hooke o ley <strong>de</strong> Hooke, originalmente formulada para casos <strong>de</strong> estiramiento longitudinal,<br />
establece que la <strong>de</strong>formación ε <strong>de</strong> un material elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada F:<br />
Don<strong>de</strong>:<br />
∆L: alargamiento longitudinal,<br />
L: Longitud original,<br />
E: módulo <strong>de</strong> Young o módulo <strong>de</strong> elasticidad,<br />
A sección transversal <strong>de</strong> la pieza estirada.<br />
La ley se aplica a materiales elásticos hasta un límite <strong>de</strong>nominado límite <strong>de</strong> elasticidad.<br />
Esta ley recibe su nombre <strong>de</strong> Robert Hooke, físico británico contemporáneo <strong>de</strong> Isaac Newton. Ante el temor <strong>de</strong> que alguien se<br />
apo<strong>de</strong>rara <strong>de</strong> su <strong>de</strong>scubrimiento, Hooke lo publicó en forma <strong>de</strong> un famoso anagrama, revelando su contenido un par <strong>de</strong> años más<br />
tar<strong>de</strong>.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación<br />
1) Montaje <strong>de</strong> acuerdo con la ilustración.<br />
1) Fijamos al bor<strong>de</strong> <strong>de</strong> la mesa, la pinza <strong>de</strong> mesa con el riel <strong>de</strong> soporte.<br />
2) Unimos con ayuda <strong>de</strong> la nuez redonda la varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm., a la varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm.<br />
3) Fijamos esta varilla <strong>de</strong> soporte <strong>de</strong> 75 cm. <strong>de</strong> longitud perpendicularmente al riel <strong>de</strong> soporte.<br />
4) En el tope fijamos una nuez con bulón <strong>de</strong> cojinetes.<br />
37
5) Suspen<strong>de</strong>mos el muelle helicoidal blando (fácilmente alargable) <strong>de</strong>l bulón <strong>de</strong> cojinetes y <strong>de</strong>l muelle suspen<strong>de</strong>mos el platillo para<br />
pesas ranuradas.<br />
6) Medimos con ayuda <strong>de</strong> la cinta métrica la distancia entre la superficie <strong>de</strong> la mesa y el lado inferior <strong>de</strong>l platillo para pesas<br />
ranuradas. La fuerza <strong>de</strong>l peso es <strong>de</strong> 0,1 N.<br />
Experimento1<br />
1) Colocamos primero una pesa ranurada <strong>de</strong> 50 g y luego dos pesas ranuradas <strong>de</strong> 50 g. El aumento <strong>de</strong>l peso es <strong>de</strong> respectivamente<br />
0,5 N Y 1 N. La distancia entre la superficie <strong>de</strong> la mesa y el lado inferior <strong>de</strong>l platillo para pesas ranuradas es menor que con el<br />
platillo sin peso alguno.<br />
2) Trasladamos a la tabla los resultados <strong>de</strong> la medición.<br />
Experimento 2<br />
1) Repetimos el experimento con el muelle helicoidal “duro” (se alarga con más dificultad).<br />
2) Trasladamos los resultados a la segunda tabla.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Muelle blando:<br />
Muelle duro:<br />
Fuerza<br />
distancia mesa platillo (cm.)<br />
aumento <strong>de</strong> la fuerza<br />
Alargamiento (cm.)<br />
Fuerza<br />
distancia mesa platillo (cm.)<br />
aumento <strong>de</strong> la fuerza<br />
Alargamiento (cm.)<br />
0,1 N<br />
(platillo solo)<br />
0,1 N<br />
(platillo solo)<br />
0,6 N<br />
(platillo + un peso)<br />
Como pue<strong>de</strong> observar en los resultados el alargamiento es proporcional a la fuerza. El muelle blando se alarga más que el duro al<br />
cargarse ambos igualmente<br />
Resultados y Conclusiones.<br />
Llene las tablas <strong>de</strong>scritas, con los datos obtenidos <strong>de</strong>termine la constante <strong>de</strong> elongación <strong>de</strong> los resortes <strong>de</strong> experimentación.<br />
Por medio <strong>de</strong>l análisis dimensional <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong> proporcionalidad <strong>de</strong> la ley <strong>de</strong> Hooke, exprese las unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la constante.<br />
38<br />
1,1 N<br />
(platillo + 2 pesos)<br />
0.5 N 1N<br />
0,6 N<br />
(platillo + un peso)<br />
1,1 N<br />
(platillo + 2 pesos)<br />
0.5 N 1N
Práctica 22<br />
DIRECCIÓN <strong>DE</strong> UNA FUERZA Y PUNTO <strong>DE</strong> APLICACIÓN<br />
Objetivo:<br />
Determinar las cualida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la fuerza respecto a su naturaleza <strong>de</strong> magnitud vectorial. Conocer la<br />
Descomposición <strong>de</strong> una cantidad vectorial.<br />
Material:<br />
1 riel <strong>de</strong> soporte<br />
1 varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm.<br />
1 pinza <strong>de</strong> mesa<br />
1 nuez<br />
1 bulón <strong>de</strong> cojinetes<br />
1 brazo <strong>de</strong> palanca<br />
1 platillo para pesos con ranura<br />
2 pesos con ranura 50 9<br />
1 dinamómetro 2 N<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación:<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo con la ilustración.<br />
1) Fijamos al bor<strong>de</strong> <strong>de</strong> la mesa, la pinza <strong>de</strong> mesa con el riel <strong>de</strong> soporte.<br />
2) Fijamos la varilla <strong>de</strong> soporte <strong>de</strong> 50 cm. perpendicularmente al riel <strong>de</strong> soporte.<br />
3) Arriba fijamos una nuez.<br />
4) Fijamos el brazo <strong>de</strong> palanca a la nuez en el orificio superior con ayuda <strong>de</strong>l bulon <strong>de</strong> cojinetes, <strong>de</strong> manera que el brazo <strong>de</strong> palanca<br />
pueda girar.<br />
5) Colocamos perpendicularmente el brazo <strong>de</strong> palanca.<br />
6) Suspen<strong>de</strong>mos <strong>de</strong> la espiga inferior el platillo para pesas, con 2 pesas ranuradas <strong>de</strong> 50 g.<br />
7) Enganchamos el dinamómetro a la penúltima espiga.<br />
Experimento 1<br />
1) Tiramos con la mano <strong>de</strong>l dinamómetro perpendicularmente hacia abajo.<br />
2) El dinamómetro <strong>de</strong>berá indicar 1 N. ¿Qué efecto tiene la fuerza?<br />
3) Luego tiramos horizontalmente con la fuerza 1 N. El efecto <strong>de</strong> la fuerza es ahora distinto. Es <strong>de</strong>cir, para el efecto <strong>de</strong> una fuerza<br />
es <strong>de</strong>cisiva no solamente la cantidad <strong>de</strong> la fuerza sino también la dirección en la que actúa.<br />
Experimento 2:<br />
1) Enganchamos el dinamómetro a la primera espiga bajo el centro y tiramos horizontalmente con la fuerza 1 N.<br />
2) El efecto <strong>de</strong> la fuerza es ahora distinto <strong>de</strong>l primer experimento. También el punto <strong>de</strong> aplicación es <strong>de</strong>cisivo para el efecto <strong>de</strong><br />
una fuerza.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
El efecto <strong>de</strong> una fuerza <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> tres factores: intensidad, dirección y punto <strong>de</strong> aplicación.<br />
Realice un análisis <strong>de</strong> fuerzas en el plano cartesiano para el presente experimento <strong>de</strong>terminando las tensiones <strong>de</strong>bidas al peso <strong>de</strong><br />
cuerpo <strong>de</strong> experimentación.<br />
39
Práctica 23<br />
PLANO INCLINADO<br />
Objetivo:<br />
Estudiar la relación entre el peso y la fuerza <strong>de</strong> suspensión en un plano inclinado<br />
Material:<br />
2 Rieles <strong>de</strong> soporte<br />
1 Varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm.<br />
1 Pieza <strong>de</strong> unión para rieles<br />
1 Nuez redonda<br />
1 Jinete con tornillo <strong>de</strong> pariete<br />
1 Porta dinamómetros<br />
2 Pesas ranuradas <strong>de</strong> 50 g<br />
1 Dinamómetro 2 N<br />
1 Vagón para experimentos<br />
1 Cinta métrica<br />
1 Cordón<br />
Tijeras<br />
Introducción:<br />
El plano inclinado, es una <strong>de</strong> las máquinas simples, ya que permite reducir la fuerza que es necesaria realizar para elevar una carga.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación:<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo con la ilustración.<br />
1) Uniendo ambos rieles <strong>de</strong> soporte con la pieza <strong>de</strong> unión para rieles construimos una pista.<br />
2) Fijamos en la perforación en el extremo <strong>de</strong>l riel la varilla <strong>de</strong> soporte <strong>de</strong> 50 cm.<br />
3) Fijamos a la nuez redonda el otro extremo <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte.<br />
4) Colocamos el riel con ayuda <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte <strong>de</strong> tal manera que forme un plano inclinado.<br />
5) A continuación <strong>de</strong>slizamos la varilla <strong>de</strong> soporte a través <strong>de</strong>l riel <strong>de</strong> tal manera que el extremo elevado <strong>de</strong> la pista se encuentre a<br />
12 cm. sobre la mesa.<br />
6) Fijamos el porta dinamómetros al jinete con tornillo <strong>de</strong> apriete y colocamos éste cerca <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte sobre la pista.<br />
7) Fijamos el dinamómetro al porta dinamómetros con la parte superior (oculta). En esta posición ajustamos exactamente el punto<br />
cero <strong>de</strong>l dinamómetro.<br />
8) Fijamos en la perforación <strong>de</strong>l vagón para experimentos un pedazo <strong>de</strong> cordón y enganchamos a esta gaza el dinamómetro.<br />
Experimento 1:<br />
Estudiaremos la relación entre el peso <strong>de</strong>l vagón para experimentos y la fuerza <strong>de</strong> suspensión para un ángulo <strong>de</strong> inclinación <strong>de</strong>l<br />
plano inclinado <strong>de</strong>terminado. La fuerza <strong>de</strong> suspensión la medimos con el dinamómetro.<br />
1) Por el momento utilizamos el vagón para experimentos sin la pesa ranurada. El vagón tiene una masa <strong>de</strong> 50 g. Leemos la fuerza<br />
indicada por dinamómetro y la trasladamos a la tabla.<br />
40
2) Ahora colocamos primeramente una pesa ranurada <strong>de</strong> 50 g, luego dos pesas ranuradas <strong>de</strong> 50 g, <strong>de</strong>terminamos <strong>de</strong> nuevo la fuerza<br />
<strong>de</strong> suspensión. La masa <strong>de</strong>l vagón es entonces 100 g y 150 g respectivamente.<br />
Trasladamos los resultados a la tabla.<br />
Experimento 2:<br />
Determinaremos la relación entre la fuerza <strong>de</strong> suspensión y la inclinación <strong>de</strong>l plano indicado.<br />
1) Primero utilizamos el vagón con 1 pesa ranurada y luego con 2 pesos con ranura. Su masa es, por lo tanto, 100 g y luego 150 g,<br />
mientras que su peso es <strong>de</strong> 1 N y 1,5 N respectivamente.<br />
2) Ajustamos la altura <strong>de</strong> la pista sucesivamente a 12 cm., 24 cm. y finalmente a 36 cm. La longitud <strong>de</strong>l plano inclinado es <strong>de</strong> 60<br />
cm. Medimos respectivamente las fuerzas <strong>de</strong> suspensión y trasladamos los resultados a la tabla.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Resultados experimento 1<br />
Masa <strong>de</strong>l vagón (g) Peso <strong>de</strong>l vagón (N) Fuerza <strong>de</strong> suspensión (N)<br />
50 0.5N<br />
100 1N<br />
150 1.5N<br />
Resultados experimento 2<br />
Alturas h Longitud Inclinación h/l Peso G Fuerza <strong>de</strong><br />
(cm.)<br />
suspensión (N)<br />
12 60 1N<br />
24 60 1N<br />
36 60 1N<br />
12 60 1.5 N<br />
23 60 1.5 N<br />
36 60 1.5 N<br />
Existe una relación entre la intensidad <strong>de</strong> la fuerza <strong>de</strong> suspensión y la inclinación <strong>de</strong>l plano. La relación entre la fuerza <strong>de</strong><br />
suspensión y el peso <strong>de</strong>l cuerpo es tan gran<strong>de</strong> como la relación entre la altura y la longitud <strong>de</strong>l plano. Es válida por lo tanto la<br />
siguiente relación:<br />
F / G = h/l<br />
41<br />
F /G
Práctica 24<br />
<strong>DE</strong>SCOMPOSICIÓN <strong>DE</strong> FUERZAS EN EL PLANO INCLINADO<br />
Objetivo:<br />
Estudiar la <strong>de</strong>scomposición <strong>de</strong> la fuerza, en fuerzas parciales<br />
Material:<br />
2 Rieles <strong>de</strong> soporte<br />
1 Varilla<br />
1 Pieza <strong>de</strong> unión para rieles<br />
1 Nuez redonda<br />
1 Jinete con tornillo <strong>de</strong> apriete<br />
1 Porta dinamómetros<br />
2 Pesas ranuradas <strong>de</strong> 50 g<br />
2 Dinamómetros 2 N<br />
1 Vagón para experimentos<br />
1 Cinta métrica<br />
1 Cordón<br />
Tijeras<br />
Introducción:<br />
El plano inclinado, es una <strong>de</strong> las máquinas simples, ya que permite reducir la fuerza que es necesaria realizar para elevar una carga.<br />
Imaginemos que queremos arrastrar el peso G <strong>de</strong>s<strong>de</strong> una altura 1 hasta una altura 2; siendo las posiciones 1 y 2 a las que nos<br />
referimos, las <strong>de</strong>l centro <strong>de</strong> gravedad <strong>de</strong>l bloque representado en la figura.<br />
El peso <strong>de</strong>l bloque, (que como sabemos es una magnitud vectorial vertical y hacia abajo), pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>scomponerse en dos<br />
componentes F1 y F2', paralela y perpendicular al plano inclinado respectivamente:<br />
F1 = G·sen(α)<br />
F2 = G·cos(α)<br />
Plano inclinado y fuerzas existentes<br />
Desarrollo experimental:<br />
Es posible <strong>de</strong>scomponer una fuerza en dos o más fuerzas parciales. Un ejemplo <strong>de</strong> lo anterior es la <strong>de</strong>scomposición <strong>de</strong> la fuerza <strong>de</strong>l<br />
peso: sobre un plano inclinado.<br />
Preparación<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo con la ilustración.<br />
42
1) Uniendo ambos rieles <strong>de</strong> soporte con la pieza <strong>de</strong> unión para rieles construimos una pista.<br />
2) Fijamos la varilla <strong>de</strong> soporte <strong>de</strong> 50 cm. en la perforación en el extremo <strong>de</strong>l riel.<br />
3) Fijamos el otro extremo <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte a través <strong>de</strong>l riel <strong>de</strong> tal manera que el extremo elevado <strong>de</strong> la pista se encuentre a<br />
24 cm. sobre la mesa.<br />
4) Fijamos el porta dinamómetros al jinete con tornillo <strong>de</strong> apriete y colocamos éste cerca <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte sobre la pista.<br />
5) Fijamos el dinamómetro al porta dinamómetros con la parte superior (oculta). En esta posición ajustamos exactamente el punto<br />
cero <strong>de</strong>l dinamómetro.<br />
6) Fijamos un pedazo <strong>de</strong> cordón en la perforación <strong>de</strong>l vagón para experimentos. Enganchamos el dinamómetro a esta gaza.<br />
7) Fijamos una segunda gaza en la torre <strong>de</strong>l vagón para experimentos. Enganchamos el segundo dinamómetro a esta gaza y los<br />
sostenemos <strong>de</strong> tal manera que forme un ángulo recto con la pista. Antes <strong>de</strong> efectuar la medición tenemos que ajustar en esta<br />
posición el punto cero <strong>de</strong>l dinamómetro. Utilizamos el vagón para experimentos primero sin pesa ranurada. El vagón tiene una<br />
masa <strong>de</strong> 50 g. Sostenemos el dinamómetro normal al plano inclinado <strong>de</strong> tal manera que el vagón apenas no se eleve sobre la pista.<br />
Leemos las fuerzas indicadas por ambos dinamómetros y las trasladamos a la tabla.<br />
8) Ahora colocamos primeramente una pesa ranurada <strong>de</strong> 50 g, luego dos pesas <strong>de</strong> 50g; <strong>de</strong>terminamos <strong>de</strong> nuevo las fuerzas. La<br />
masa <strong>de</strong>l vagón es entonces 100 g y 150 respectivamente. Trasladamos los resultados a la tabla.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Altura h<br />
(cm.)<br />
Inclinación<br />
h/l<br />
Masa Peso<br />
(N)<br />
12 0.2 50g 0.5<br />
12 0.2 100g 1<br />
12 0.2 150 1.5<br />
24 0.4 50 0.5<br />
24 0.4 100 1<br />
24 0.4 150 1.5<br />
43<br />
Fuerza <strong>de</strong> Fh<br />
Suspensión<br />
(N)<br />
Fuerza<br />
Normal Fn<br />
(N)<br />
Dibujamos un paralelogramo <strong>de</strong> fuerzas, escogiendo graduaciones apropiadas para las dimensiones <strong>de</strong>l plano inclinado y para las<br />
fuerzas. Nos aseguramos <strong>de</strong> que la fuerza <strong>de</strong>l peso origine las diagonales en el paralelogramo <strong>de</strong> fuerzas.<br />
La fuerza <strong>de</strong>l peso <strong>de</strong>l vagón origina sobre el plano inclinado una componente <strong>de</strong> la fuerza en la dirección <strong>de</strong>l plano (fuerza <strong>de</strong><br />
suspensión) y una componente <strong>de</strong> la fuerza normal al plano inclinado (fuerza normal). La fuerza <strong>de</strong>l peso origina las diagonales en<br />
el paralelogramo <strong>de</strong><br />
Fuerza
Objetivo:<br />
Determinar la presión hidrostática<br />
Material:<br />
1 Riel <strong>de</strong> soporte<br />
1 Varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm.<br />
2 Capuchones <strong>de</strong> plástico para varillas <strong>de</strong> soporte<br />
1 Varilla <strong>de</strong> soporte 10 cm.<br />
1 Varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm.<br />
1 Nuez<br />
1 Nuez redonda<br />
2 Tubitos <strong>de</strong> vidrio acrílico<br />
1 Juego <strong>de</strong> sondas <strong>de</strong> inmersión<br />
1 Manguera <strong>de</strong> plástico 20 cm<br />
1 Manguera <strong>de</strong> plástico 45 cm<br />
1 Cilindro graduado<br />
1 Cinta métrica<br />
Líquido colorante (azul <strong>de</strong> metileno)<br />
Agua<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo a la ilustración.<br />
Práctica 25<br />
PRESIÓN HIDROSTÁTICA<br />
1) Insertamos una varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm. a través <strong>de</strong> la perforación transversal <strong>de</strong>l riel <strong>de</strong> soporte.<br />
2) Ajustamos la varilla <strong>de</strong> soporte con ayuda <strong>de</strong>l tornillo moleteado.<br />
3) Colocamos los capuchones <strong>de</strong> plástico a ambos extremos <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte.<br />
4) Fijamos la varilla <strong>de</strong> soporte <strong>de</strong> 50 cm. perpendicularmente al riel <strong>de</strong> soporte y colocamos arriba sobre la varilla <strong>de</strong> soporte una<br />
nuez.<br />
5) Fijamos la varilla <strong>de</strong> soporte 10 cm. a la nuez.<br />
6) Colocamos la nuez redonda sobre la varilla <strong>de</strong> soporte 10 cm.<br />
7) Construimos un manómetro a partir <strong>de</strong> los dos tubitos <strong>de</strong> vidrio acrílico y la manguera corta <strong>de</strong> plástico.<br />
8) Fijamos los tubitos <strong>de</strong> vidrio acrílico a la nuez redonda.<br />
9) Vertemos agua con un poco <strong>de</strong> líquido colorante en el manómetro. El nivel <strong>de</strong>l agua <strong>de</strong>be encontrarse a unos 10 cm. <strong>de</strong> altura en<br />
los tubitos.<br />
10) Llenamos con agua el cilindro graduado hasta aproximadamente 1 cm. bajo su bor<strong>de</strong>.<br />
Marcamos el nivel <strong>de</strong>l agua y hacemos marcas a 5 cm. y a 10 cm. respectivamente bajo la primera.<br />
Experimento 1:<br />
1) Unimos la sonda recta <strong>de</strong> inmersión (para la presión <strong>de</strong>s<strong>de</strong> abajo) con el manómetro por medio <strong>de</strong> la manguera <strong>de</strong> plástico. El<br />
agua <strong>de</strong>be encontrarse al mismo nivel en los dos tubitos <strong>de</strong>l manómetro.<br />
2) Sumergimos la sonda <strong>de</strong> inmersión en el agua <strong>de</strong>l cilindro graduado.<br />
44
3) A continuación sumergimos la sonda <strong>de</strong> inmersión a 5 cm. y medimos la diferencia <strong>de</strong> nivel entre las columnas <strong>de</strong> agua en los<br />
tubitos <strong>de</strong>l manómetro.<br />
Expresamos la presión hidrostática (la presión alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong>l agua) en milímetros <strong>de</strong> columna <strong>de</strong> agua (mm WS). 10 mm <strong>de</strong> la<br />
columna <strong>de</strong> agua correspon<strong>de</strong>n a la presión <strong>de</strong> 1 mbar<br />
Experimento 2<br />
1) Reemplazamos la sonda recta <strong>de</strong> inmersión por la sonda <strong>de</strong> inmersión para la presión <strong>de</strong>s<strong>de</strong> abajo.<br />
2) Cerramos con el tapón <strong>de</strong> plástico la abertura lateral <strong>de</strong> la sonda <strong>de</strong> inmersión. La presión hidrostática pue<strong>de</strong> ahora actuar sólo<br />
<strong>de</strong>s<strong>de</strong> arriba. El nivel <strong>de</strong>l agua <strong>de</strong>be ser igual en los dos tubitos <strong>de</strong>l manómetro.<br />
3) Sumergimos <strong>de</strong> nuevo la sonda <strong>de</strong> inmersión, primero a 5 cm. <strong>de</strong> profundidad y luego a 10 cm. <strong>de</strong> profundidad. Medimos <strong>de</strong><br />
nuevo la presión hidrostática.<br />
Experimento 3<br />
1) Cerramos con el pequeño tapón <strong>de</strong> plástico la abertura superior <strong>de</strong> la sonda <strong>de</strong> inmersión. La presión hidrostática pue<strong>de</strong> actuar<br />
sólo <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el lado.<br />
El nivel <strong>de</strong>l agua <strong>de</strong>be ser igual en los dos tubitos <strong>de</strong>l manómetro.<br />
2) Sumergimos <strong>de</strong> nuevo la sonda <strong>de</strong> inmersión, primero a 5 cm. <strong>de</strong> profundidad y luego a 10 cm. <strong>de</strong> profundidad. Medimos <strong>de</strong><br />
nuevo la presión hidrostática.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Experimento 1<br />
Profundidad <strong>de</strong> sumersión 5 cm. 10 cm.<br />
Presión ______mm= _____mbar ______mm= _____mbar<br />
Experimento 2<br />
Profundidad <strong>de</strong> sumersión 5 cm. 10 cm.<br />
Presión ______mm= _____mbar ______mm= _____mbar<br />
Experimento 3<br />
Profundidad <strong>de</strong> sumersión 5 cm. 10 cm.<br />
Presión ______mm= _____mbar ______mm= _____mbar<br />
Conclusiones:<br />
1. La presión hidrostática aumenta al aumentar la profundidad <strong>de</strong> sumersión.<br />
2. La presión hidrostática es la misma <strong>de</strong>s<strong>de</strong> todas direcciones a una misma profundidad <strong>de</strong> sumersión<br />
45
Práctica 26<br />
LEY <strong>DE</strong> BOYLE-MARIOTTE<br />
Objetivo:<br />
Comprobar las relaciones entre las variables enunciadas en la ley <strong>de</strong> Boyle-Mariotte. Conocer y aplicar experimentalmente la ley<br />
<strong>de</strong> Boyle-Mariotte.<br />
Material:<br />
Jeringa <strong>de</strong> plástico<br />
Juego <strong>de</strong> pesas<br />
Soportes y pinzas.<br />
Calibrador<br />
Portapesas<br />
Pinza para tubo <strong>de</strong> ensayo<br />
1 cordón<br />
Introducción:<br />
La ley <strong>de</strong> Boyle-Mariotte relaciona la presión <strong>de</strong> un gas con el volumen que éste ocupa cuando la temperatura permanece<br />
constante. La Ley <strong>de</strong> Boyle-Mariotte (o Ley <strong>de</strong> Boyle, como se la conoce a veces), formulada por Robert Boyle y Edme Mariotte,<br />
es una <strong>de</strong> las leyes <strong>de</strong> los gases i<strong>de</strong>ales que relaciona el volumen y la presión <strong>de</strong> una cierta cantidad <strong>de</strong> gas mantenida a temperatura<br />
constante, y dice que el volumen es inversamente proporcional a la presión:<br />
don<strong>de</strong> es constante si la temperatura y la masa <strong>de</strong>l gas permanecen constantes.<br />
Cuando aumenta la presión, el volumen disminuye, mientras que si la presión disminuye el volumen aumenta. El valor exacto <strong>de</strong> la<br />
constante k no es necesario conocerlo para po<strong>de</strong>r hacer uso <strong>de</strong> la Ley; si consi<strong>de</strong>ramos las dos situaciones <strong>de</strong> la figura,<br />
manteniendo constante la cantidad <strong>de</strong> gas y la temperatura, <strong>de</strong>berá cumplirse la relación:<br />
Esta Ley es una simplificación <strong>de</strong> la Ley <strong>de</strong> los gases i<strong>de</strong>ales particularizada para procesos isotermos.<br />
Junto con la ley <strong>de</strong> Charles y Gay-Lussac y la ley <strong>de</strong> Graham, la ley <strong>de</strong> Boyle forma las leyes <strong>de</strong> los gases, que <strong>de</strong>scriben la<br />
conducta <strong>de</strong> un gas i<strong>de</strong>al. Las tres leyes pue<strong>de</strong>n ser generalizadas en la ecuación universal <strong>de</strong> los gases.<br />
Desarrollo experimental.<br />
El dispositivo experimental utilizado está reflejado en la figura 1b. Observe el tipo <strong>de</strong> jeringa utilizado. Se prefiere utilizar una <strong>de</strong><br />
plástico en vez <strong>de</strong> vidrio porque presenta menos rozamiento.<br />
Figura 1a<br />
Indica el tipo <strong>de</strong><br />
jeringa<br />
empleado en el<br />
experimento.<br />
46<br />
Figura 1b<br />
Dispositivo<br />
experimental
Las cuerdas que tiran <strong>de</strong>l émbolo <strong>de</strong> la jeringa <strong>de</strong>ben ser resistentes. Observe cómo se disponen las cuerdas. La polea <strong>de</strong>be ser<br />
fuerte para que no ceda ante los pesos que se colocan en los portapesas. Antes <strong>de</strong> realizar el montaje <strong>de</strong> la figura 1 se lubrica el<br />
émbolo y la parte interior <strong>de</strong> la jeringa. No utilizar grasa sólida.<br />
La primera medida se hace con un volumen <strong>de</strong> aire inicial (en nuestro experimento <strong>de</strong> 10 ml) que se encuentra a la presión<br />
atmosférica. Esta medida se hace sin apretar la pinza <strong>de</strong> tubo <strong>de</strong> ensayo. Observe que para mantener tensa la cuerda se coloca un<br />
portapesas cuya masa es 20 gramos.<br />
A continuación se aprieta la pinza para tubo <strong>de</strong> ensayo y se cuelgan pesas en el portapesas y se leen los correspondientes<br />
volúmenes. Para evitar, en lo posible, medidas erróneas, una vez que ha colocado las pesas comprima el émbolo y lo suelta para<br />
que vaya a su posición <strong>de</strong> forma espontánea, también pue<strong>de</strong> estirarlo y <strong>de</strong>jar que vuelva a su posición. Conviene hacer tres o cuatro<br />
operaciones como las señaladas y tomar el valor medio <strong>de</strong>l volumen.<br />
Observe la secuencia <strong>de</strong> fotos (fig 3 a, 3b, 3c, 3d, 3e y 3f ) y anote los resultados en la tabla 1. Observe que en cada fotografía se ha<br />
ampliado la imagen <strong>de</strong> la jeringa para que pueda leerse el volumen ocupado por el gas.<br />
47
Presión atmosférica, Pat = …………. mmHg = …………. Pa<br />
Diámetro <strong>de</strong>l émbolo D = ………. cm. = ………. m<br />
Superficie <strong>de</strong>l émbolo, S =(D *Dπ)/4= ………. m2<br />
Resultados y Conclusiones:<br />
a) La presión <strong>de</strong>l gas en el eje <strong>de</strong> or<strong>de</strong>nadas frente al volumen en el eje <strong>de</strong> abscisas;<br />
b) Represente la presión en el eje <strong>de</strong> or<strong>de</strong>nadas frente al inverso <strong>de</strong>l volumen en el eje <strong>de</strong> abscisas.<br />
c) Determine la proporcionalidad entre la presión y el volumen en los experimentos.<br />
Inicialmente el aire contenido en la jeringa se encuentra a la presión atmosférica. Cuando se cierra la goma con la pinza <strong>de</strong> Mohr y<br />
se colocan pesas en el portapesas el volumen <strong>de</strong>l gas aumenta y la presión disminuye:<br />
Se produce un equilibrio <strong>de</strong> fuerzas tal como indica la figura 2. Como todas actúan sobre la superficie <strong>de</strong>l émbolo po<strong>de</strong>mos escribir<br />
que<br />
FPat =Pat.S ; Fpesas = Peso <strong>de</strong> las pesas =P ; Fgas = Pgas .S<br />
Como FPat = P+Fgas ; Pat.S = P+ Pgas .S ; Pgas = Pat -S<br />
49
Práctica 27<br />
CONSERVACION <strong>DE</strong>L MOVIMIENTO<br />
EXPERIMENTOS CON CHOQUES. CANTIDAD <strong>DE</strong> MOVIMIENTO<br />
Objetivo:<br />
Comprobar los procesos presentes en los choques elásticos según la mecánica <strong>de</strong> Newton<br />
Material:<br />
1 pista<br />
2 carritos <strong>de</strong> experimentación<br />
4 pesas 50 g.<br />
2 jinetes<br />
2 muelles<br />
Introducción:<br />
Cuando dos cuerpos chocan pue<strong>de</strong> que parte <strong>de</strong> la energía que lleve, se utilice en <strong>de</strong>formarlos o bien se disipe en forma <strong>de</strong> calor, o<br />
pue<strong>de</strong> ser que la perdida sea <strong>de</strong>spreciable.<br />
Si en un choque se conserva la energía cinética total <strong>de</strong> las partículas, el choque se consi<strong>de</strong>ra elástico. En este caso, la<br />
conservación <strong>de</strong>l momento lineal y <strong>de</strong> la energía cinética <strong>de</strong>termina totalmente la velocidad <strong>de</strong> cada partícula tras el choque.<br />
Aunque en la naturaleza no se pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>cir que existan choques totalmente elásticos, hay muchos casos en que la variación <strong>de</strong> la<br />
energía en un choque es tan pequeña que no se pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>tectar. En estas circunstancias diremos que el choque es elástico.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación:<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo a la ilustración.<br />
1) Colocamos un muelle parachoques en uno <strong>de</strong> los vagones y lo colocamos sobre la pista.<br />
2) Colocamos a ambos extremos <strong>de</strong> la pista jinetes <strong>de</strong> tal manera que podamos <strong>de</strong>tener el vagón.<br />
3) Uno <strong>de</strong> los jinetes representa una “pared sólida”, contra la que el vagón choca.<br />
Experimento 1<br />
1) Deslizamos el vagón hacia un extremo <strong>de</strong> la pista y lo colocamos en movimiento en dirección al jinete <strong>de</strong>l otro extremo <strong>de</strong> la<br />
pista. El vagón choca contra el jinete.<br />
2) Comparamos por medio <strong>de</strong> una apreciación sencilla la velocidad <strong>de</strong>l vagón antes y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong>l choque.<br />
¿Refleja la pared el cuerpo elástico con la misma velocidad?.<br />
Experimento 2<br />
1) Hacemos rodar uno contra el otro dos vagones equipados con muelles parachoques, <strong>de</strong> manera que se encuentren<br />
aproximadamente en la mitad <strong>de</strong> la pista.<br />
2) Las velocida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> los vagones <strong>de</strong>be ser la misma (pero en dirección contraria).<br />
En un caso i<strong>de</strong>al, ambos vagones <strong>de</strong>berán cambiar la dirección <strong>de</strong> su velocidad.<br />
50
Experimento 3<br />
1) Colocamos a cada uno <strong>de</strong> los dos vagones un muelle y una pesa ranurada.<br />
2) Colocamos un vagón en el centro <strong>de</strong> la pista. Hacemos rodar el segundo vagón contra el primero.<br />
3) Comparamos por medio <strong>de</strong> una apreciación sencilla las velocida<strong>de</strong>s antes y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong>l choque. El vagón que choca, en un caso<br />
i<strong>de</strong>al, <strong>de</strong>be <strong>de</strong>tenerse completamente, mientras que el vagón contra el que se choca <strong>de</strong>be obtener la velocidad <strong>de</strong>l vagón que choca.<br />
Experimento 4<br />
1) Cargamos uno <strong>de</strong> los vagones con 4 pesas ranuradas mientras que el otro no lo cargamos. La masa pequeña <strong>de</strong>be permanecer en<br />
reposo mientras que la masa más gran<strong>de</strong> <strong>de</strong>be chocar elásticamente contra aquella. ¿Qué suce<strong>de</strong> <strong>de</strong>spués <strong>de</strong>l choque?.<br />
En un caso i<strong>de</strong>al, la masa pequeña <strong>de</strong>be ser impulsada con una velocidad mayor, mientras que la masa más gran<strong>de</strong>, es <strong>de</strong>cir la que<br />
choca, <strong>de</strong>be continuar moviéndose a una velocidad menor.<br />
Experimento 5<br />
1) Dejamos en reposo la masa más gran<strong>de</strong>. La masa pequeña <strong>de</strong>berá ser reflejada con una velocidad menor mientras que la masa<br />
más gran<strong>de</strong> recibe un empujón hacia a<strong>de</strong>lante.<br />
Resultados y Conclusiones:<br />
El producto <strong>de</strong> la masa y la velocidad se llama impulso. En cada caso, el impulso total (impulso <strong>de</strong> un vagón + impulso <strong>de</strong>l<br />
segundo vagón) es antes <strong>de</strong>l choque igual al impulso total <strong>de</strong>spués <strong>de</strong>l choque.<br />
Mediante las formulaciones apropiadas compruebe el cumplimiento <strong>de</strong>l experimento.<br />
Realice un balance para <strong>de</strong>terminar la conservación <strong>de</strong>l movimiento, compare este experimento con el principio <strong>de</strong> funcionamiento<br />
<strong>de</strong> la máquina <strong>de</strong> Newton <strong>de</strong> movimiento perpetuo.<br />
51
Práctica 28<br />
CONSERVACION <strong>DE</strong> ENEGIA MECANICA<br />
ENERGIA POTENCIAL Y CINÉTICA<br />
Objetivo:<br />
Estudiar la transformación <strong>de</strong> energía potencial en energía cinética. Realizar el balance en un experimento <strong>de</strong> la conservación <strong>de</strong> la<br />
energía según su ecuación general.<br />
Material:<br />
1 pista<br />
1 varilla soporte 6 cm.<br />
1 carrito <strong>de</strong> experimentación<br />
1 pesa ranurada 10 g<br />
3 pesa ranurada 50 g<br />
1 portapesas<br />
1 jinete con tornillo <strong>de</strong> apriete<br />
1 polea con estribo<br />
1 generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo<br />
1 cinta métrica<br />
1 cinta registradora <strong>de</strong> papel metalizado<br />
1 tijera<br />
1 cordón<br />
2 cables <strong>de</strong> conexión<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Etiquetas adhesivas<br />
Introducción:<br />
La energía potencial es la capacidad que tienen los cuerpos para realizar un trabajo, <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong> la configuración que tengan<br />
en un sistema <strong>de</strong> cuerpos que ejercen fuerzas entre sí. Pue<strong>de</strong> pensarse como la energía almacenada en un sistema, o como una<br />
medida <strong>de</strong>l trabajo que un sistema pue<strong>de</strong> entregar. Más rigurosamente, la energía potencial es una magnitud escalar asociado a un<br />
campo <strong>de</strong> fuerzas (o como en elasticidad un campo tensorial <strong>de</strong> tensiones). Cuando la energía potencial está asociada a un campo<br />
<strong>de</strong> fuerzas, la diferencia entre los valores <strong>de</strong>l campo en dos puntos A y B es igual al trabajo realizado por la fuerza para cualquier<br />
recorrido entre B y A.<br />
La energía cinética es la energía que posee un cuerpo <strong>de</strong> masa m por encontrarse en movimiento. Es un error común creer que por<br />
"movimiento" se habla <strong>de</strong> movimiento lineal v. Existe también el movimiento angular ω, y no pue<strong>de</strong> ser ignorado. Des<strong>de</strong> un punto<br />
<strong>de</strong> vista formal, la energía cinética es el trabajo necesario para acelerar una partícula <strong>de</strong>s<strong>de</strong> una velocidad (angular y lineal) nula<br />
hasta una velocidad (angular y lineal) dada. Las unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l SI para la energía son julios o joules.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo a la ilustración.<br />
1) Colocamos la pista sobre la mesa y el vagón para experimentos (junto con tres pesas ranuradas) sobre la pista. La masa <strong>de</strong>l<br />
vagón es <strong>de</strong> 200 g.<br />
2) Elevamos un poco (aproximadamente 1,5 cm.) un extremo <strong>de</strong> la pista con ayuda <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte 6 cm. Esta elevación<br />
<strong>de</strong>berá contrarrestar el rozamiento.<br />
52
3) Sobre el extremo elevado colocamos el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo. Sobre el otro extremo <strong>de</strong> la pista colocamos el jinete, el<br />
cual <strong>de</strong>berá evitar que el vagón rue<strong>de</strong> hacia abajo.<br />
4) Fijamos la polea en la perforación <strong>de</strong> la pista y la aseguramos por medio <strong>de</strong>l tornillo moleteado. La polea no <strong>de</strong>be salirse <strong>de</strong> la<br />
mesa.<br />
5) Tiramos a través <strong>de</strong>l generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo una cinta <strong>de</strong> papel metalizado <strong>de</strong> aproximadamente 1 m <strong>de</strong> longitud y la<br />
fijamos al vagón por medio <strong>de</strong> una etiqueta adhesiva.<br />
6) Aseguramos el otro extremo <strong>de</strong> la cinta registradora a la pinza <strong>de</strong> cocodrilo en el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo. Conectamos el<br />
generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo a una corriente alterna <strong>de</strong> 15 V.<br />
7) Deslizamos el vagón (con la cinta que se encuentra a través <strong>de</strong>l generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo a una corriente alterna <strong>de</strong> 15 V).<br />
8) Deslizamos el vagón (con la cinta que se encuentra a través <strong>de</strong>l generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo) completamente hasta el<br />
generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo. Si el ajuste <strong>de</strong> la fuerza efectiva es <strong>de</strong> 0,2 N la carga <strong>de</strong>berá encontrarse exactamente 40 cm. sobre<br />
el piso. Po<strong>de</strong>mos obtener la posición <strong>de</strong>seada <strong>de</strong>slizando el vagón. Luego fijamos <strong>de</strong> nuevo el vagón por medio <strong>de</strong>l jinete.<br />
Experimento<br />
1) Después <strong>de</strong> controlar la altura exacta sobre el piso (40cm) presionamos la tecla “100ms” en el generador <strong>de</strong> marcas <strong>de</strong> tiempo y<br />
<strong>de</strong>jamos libre el vagón. El vagón es <strong>de</strong>tenido al final <strong>de</strong> la pista por el jinete. Entonces retiramos la cinta registradora <strong>de</strong>l soporte.<br />
2) EI vagón ha experimentado primeramente un movimiento uniformemente acelerado. Esto lo po<strong>de</strong>mos reconocer observando los<br />
intervalos cada vez más gran<strong>de</strong>s entre los puntos <strong>de</strong> marcación sobre la cinta registradora. A partir <strong>de</strong>l punto en el que el platillo<br />
para pesas con la pesa ranurada ha golpeado contra el suelo, el vagón ha continuado <strong>de</strong>splazándose a una velocidad<br />
aproximadamente uniforme.<br />
3) Los intervalos entre los puntos <strong>de</strong> marcación son entonces iguales.<br />
4) Repetimos el experimento con dos pesos <strong>de</strong> ranura.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Determinamos la velocidad final <strong>de</strong>l vagón a partir <strong>de</strong> las marcas <strong>de</strong> las décimas <strong>de</strong> segundo:<br />
∆s= _____cm.= _____m<br />
v = ∆s/∆t = (_____m/O, 1) m/s = _____m/s<br />
\/elocidad final v <strong>de</strong>l vagón:_____ m/s<br />
Este resultado lo comparamos con la velocidad final calculada a partir <strong>de</strong>l teorema <strong>de</strong> la energía:<br />
Energía cinética = energía potencial<br />
M*v 2 / 2 = 2*m*g*h<br />
v =√ 2 m*g*h/m<br />
m = 0,02 kg<br />
M = 0,22 kg<br />
h = 0,4 m<br />
Para la <strong>de</strong>mostración <strong>de</strong> la ley <strong>de</strong> la conservación <strong>de</strong> la energía mecánica <strong>de</strong>termine la energía potencial y cinética en los siguientes<br />
momentos:<br />
Cuando el carro se encuentra en reposo a la máxima altura y un momento antes <strong>de</strong>l choque contra el jinete (No olvi<strong>de</strong> unificar<br />
unida<strong>de</strong>s).<br />
Con los datos obtenidos sustituya en la siguiente ecuación.<br />
Ec= Ep, Ec-Ep= 0 (Conservación <strong>de</strong> la energía mecánica).<br />
El valor obtenido <strong>de</strong> esta ecuación <strong>de</strong>be ser cero en condiciones i<strong>de</strong>ales o lo más cercano. Pudieran obtenerse en valores positivos<br />
resultado satisfactorio físicos no controlados (fricción, temperatura, velocidad <strong>de</strong>l aire).<br />
Conclusión: En la transformación <strong>de</strong> energía potencial en energía cinética, la velocidad final <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la altura, <strong>de</strong> la masa a<br />
acelerar y <strong>de</strong> la masa acelerante.<br />
53
Objetivo:<br />
Practicar el cálculo <strong>de</strong>l trabajo efectuado<br />
Material:<br />
1 paralelepípedo <strong>de</strong> hierro gran<strong>de</strong><br />
1 dinamómetro 2 N<br />
1 cinta métrica<br />
Práctica 29<br />
TRABAJO MECÁNICO<br />
Introducción:<br />
El concepto <strong>de</strong> trabajo mecánico aparece estrechamente vinculado al <strong>de</strong> fuerza. De este modo, para que exista trabajo <strong>de</strong>be<br />
aplicarse una fuerza mecánica a lo largo <strong>de</strong> una cierta trayectoria. En términos físicos, el trabajo W se <strong>de</strong>fine como el producto<br />
escalar <strong>de</strong> la fuerza aplicada por la distancia recorrida.<br />
En términos físicos, el trabajo W se <strong>de</strong>fine como el producto escalar <strong>de</strong> la fuerza aplicada por la distancia recorrida.<br />
don<strong>de</strong> α es el ángulo que forman la dirección <strong>de</strong> la fuerza y el <strong>de</strong>splazamiento.<br />
Así pues, el trabajo es una magnitud escalar, que alcanza su valor máximo cuando la fuerza se aplica en la dirección y el sentido<br />
<strong>de</strong>l movimiento.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Experimento 1: trabajo <strong>de</strong> elevación<br />
1) Suspen<strong>de</strong>mos el paralelepípedo gran<strong>de</strong> <strong>de</strong> hierro <strong>de</strong>l dinamómetro 2 N y medimos la fuerza <strong>de</strong>l peso:<br />
Peso <strong>de</strong>l paralelepípedo <strong>de</strong> hierro: _____N.<br />
2) A continuación elevamos verticalmente el paralelepípedo <strong>de</strong> hierro unos 60 cm. La distancia es por lo tanto <strong>de</strong> s = 0,6 m.<br />
Calculamos el trabajo con ayuda <strong>de</strong> la fórmula "trabajo" = fuerza x distancia. La unidad <strong>de</strong>l trabajo es 1 Joule (1 J)<br />
Experimento 2: trabajo <strong>de</strong> rozamiento:<br />
1) Colocamos el paralelepípedo gran<strong>de</strong> <strong>de</strong> hierro sobre la mesa y enganchamos el dinamómetro 2N a los ganchos <strong>de</strong>l<br />
paralelepípedo <strong>de</strong> hierro.<br />
2) Tiramos <strong>de</strong>l paralelepípedo uniformemente unos 60 cm. sobre la mesa y medimos la fuerza <strong>de</strong> rozamiento. Luego calculamos el<br />
trabajo <strong>de</strong> rozamiento.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Experimento 1<br />
Trabajo =_____N x_____ m= _____J<br />
Experimento 2<br />
Fuerza <strong>de</strong> rozamiento: _____N<br />
Trabajo = _____N x _____m= _____J<br />
Calculamos el trabajo multiplicando la fuerza por la distancia. La fuerza utilizada para el cálculo tiene que actuar en la dirección<br />
<strong>de</strong>l movimiento.<br />
54
Práctica 30<br />
TRABAJO SOBRE EL PLANO INCLINADO<br />
Objetivo:<br />
Comprobar si en el movimiento sobre un plano inclinado es posible ahorrar trabajo<br />
Material:<br />
2 rieles <strong>de</strong> soporte<br />
1 varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm.<br />
1 pieza <strong>de</strong> unión para rieles<br />
1 nuez redonda<br />
3 pesos <strong>de</strong> ranura 50 g<br />
1 dinamómetro 2 N<br />
1 vagón para experimentos<br />
1 cinta métrica<br />
1 cordón<br />
Tijeras<br />
Introducción:<br />
Plano inclinado, plano que forma un cierto ángulo con otro plano horizontal; este dispositivo modifica las fuerzas y se pue<strong>de</strong><br />
consi<strong>de</strong>rar como una máquina. También se conoce con el nombre <strong>de</strong> rampa o pendiente.<br />
Una <strong>de</strong> las formas más sencillas <strong>de</strong> hacer subir un objeto, por ejemplo un bloque, es arrastrarlo por un plano inclinado. La fuerza<br />
que se necesita para arrastrar el bloque a lo largo <strong>de</strong> un plano inclinado perfectamente liso, es <strong>de</strong>cir, en el que no actúan fuerzas <strong>de</strong><br />
rozamiento, es menor que el peso <strong>de</strong>l bloque. Por eso se dice que el plano inclinado ofrece una ventaja mecánica, pues aumenta el<br />
efecto <strong>de</strong> la fuerza que se aplica. Sin embargo, el bloque <strong>de</strong>be ser arrastrado a lo largo <strong>de</strong> una distancia mayor para conseguir la<br />
misma elevación, ya que la fuerza que es necesario ejercer para ascen<strong>de</strong>r el bloque por el plano inclinado es tanto menor cuanto<br />
mayor es la longitud <strong>de</strong>l mismo<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación:<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo con la ilustración.<br />
1) Construimos una pista uniendo ambos rieles <strong>de</strong> soporte con ayuda <strong>de</strong> la pieza <strong>de</strong> unión para rieles.<br />
2) Fijamos la varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm. en la perforación al final <strong>de</strong>l riel.<br />
3) Fijamos el otro extremo <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte a la nuez redonda.<br />
4) Colocamos el riel con ayuda <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte a la nuez redonda.<br />
5) Colocamos el riel con ayuda <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte <strong>de</strong> tal manera que forme un plano inclinado.<br />
6) A continuación <strong>de</strong>slizamos la varilla <strong>de</strong> soporte a través <strong>de</strong>l riel <strong>de</strong> tal manera que el extremo elevado <strong>de</strong> la pista se encuentre 36<br />
sobre la mesa.<br />
55
Experimento 1<br />
1) Hacemos una gasa a través <strong>de</strong> la perforación que se encuentra en la torre <strong>de</strong>l vagón para experimentos.<br />
2) Colocamos sobre el vagón para experimentos 3 pesas ranuradas <strong>de</strong> 50 g cada uno. Su masa es así 200 g., su peso es <strong>de</strong> 2 N.<br />
3) Sostenemos el dinamómetro perpendicularmente y ajustamos en esta posición el punto cero.<br />
4) Enganchamos el vagón con las pesas ranuradas al dinamómetro y lo elevamos perpendicularmente hacia arriba <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la<br />
superficie <strong>de</strong> la mesa hasta el extremo elevado <strong>de</strong> la pista. La fuerza necesaria es <strong>de</strong> 2 N. Calculamos el trabajo realizado.<br />
Experimento 2<br />
1) Sostenemos el dinamómetro paralelo al plano inclinado y ajustamos en esta posición el punto cero.<br />
2) Hacemos una gaza a través <strong>de</strong> la perforación <strong>de</strong>l vagón, a la cual podamos enganchar el dinamómetro.<br />
3) Colocamos el vagón en el extremo inferior <strong>de</strong> la pista y lo tiramos con ayuda <strong>de</strong>l dinamómetro hasta el extremo superior <strong>de</strong> la<br />
pista.<br />
4) Leemos en el dinamómetro la fuerza <strong>de</strong> suspensión y calculamos el trabajo. La longitud <strong>de</strong>l plano inclinado es <strong>de</strong> 60 cm.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Experimento 1<br />
Fuerza G = 2 N Distancia h = 0,36 m<br />
Trabajo W1 = G x h =_____ J<br />
Experimento 2<br />
Fuerza FH = _____N, Distancia I = 0,6 m<br />
Trabajo W2 = FH X I = _____J<br />
Conclusión: Con ayuda <strong>de</strong>l plano inclinado no es posible ahorrar trabajo. Si ahorramos fuerza tenemos que recorrer una distancia<br />
mayor. El producto <strong>de</strong> la fuerza por la distancia permanece igual.<br />
56
Práctica 31<br />
POTENCIA MECANICA<br />
CALCULO <strong>DE</strong> LA POTENCIA MECANICA<br />
Objetivo:<br />
Determinar la potencia mecánica <strong>de</strong>sarrollada por un carro motorizado <strong>de</strong> prueba ascendiendo sobre un riel inclinado.<br />
Material:<br />
1 Carro para experimentos con motor.<br />
1 Riel <strong>de</strong> 30 cm., y su pieza <strong>de</strong> unión.<br />
2 Topes ajustables <strong>de</strong>slizables al riel.<br />
1 Varilla <strong>de</strong> soporta <strong>de</strong> 50 cm.<br />
1 base para varilla <strong>de</strong> soporte.<br />
2 Soporte Universal<br />
2 pinzas<br />
2 foto-puertas<br />
1 interfase.<br />
Computadora<br />
Introducción:<br />
El trabajo, o transferencia <strong>de</strong> energía, realizado por unidad <strong>de</strong> tiempo. El trabajo es igual a la fuerza aplicada para mover un objeto<br />
multiplicada por la distancia a la que el objeto se <strong>de</strong>splaza en la dirección <strong>de</strong> la fuerza. La potencia mi<strong>de</strong> la rapi<strong>de</strong>z con que se<br />
realiza ese trabajo. En términos matemáticos, la potencia es igual al trabajo realizado dividido entre el intervalo <strong>de</strong> tiempo a lo<br />
largo <strong>de</strong>l cual se efectúa dicho trabajo.<br />
La potencia siempre se expresa en unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> energía divididas entre unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> tiempo. La unidad <strong>de</strong> potencia en el Sistema<br />
Internacional es el vatio, que equivale a la potencia necesaria para efectuar 1 joule <strong>de</strong> trabajo por segundo. Una unidad <strong>de</strong> potencia<br />
tradicional es el caballo <strong>de</strong> vapor (CV), que equivale aproximadamente a 746 vatios. Su unidad <strong>de</strong> tiempo siempre es el segundo.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Arme un dispositivo con el riel, la varilla y su base, para plano inclinado, cuya altura no sea mayor a 6.5 cm. respecto a la<br />
superficie anti<strong>de</strong>rrapante <strong>de</strong>l área <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l LDM.<br />
1) Realiza los procedimientos <strong>de</strong> Inicio, y conexión <strong>de</strong> la interfase con la computadora <strong>de</strong>scritos en “Guía De Experimentación<br />
Con Interfase, Sensores Y Computadora (Software Excel)”, Inicia el Programa Excel para la adquisición <strong>de</strong> datos con el sensor<br />
fotopuerta. Determina el intervalo <strong>de</strong> tiempo para las mediciones por medio <strong>de</strong>l temporizador.<br />
2) Coloque 2 Topes ajustables <strong>de</strong>slizables al riel uno <strong>de</strong> cada extremo <strong>de</strong>l riel como retenes.<br />
3) Coloque una pinza <strong>de</strong> tres <strong>de</strong>dos en cada soporte universal una <strong>de</strong> ellas a la altura <strong>de</strong>l inicio <strong>de</strong> la rampa y la otra a la altura <strong>de</strong>l<br />
otro extremo<br />
4) Sujete en cada pinza una foto-puerta <strong>de</strong> tal forma que sea registrado el paso <strong>de</strong>l carro <strong>de</strong> experimentación.<br />
5) Encienda y ajuste los valores como preparativo <strong>de</strong> adquisición <strong>de</strong> datos con la interfase.<br />
6) Pese el carro <strong>de</strong> experimentación.<br />
7) Coloque el carro sobre el riel en su parte inferior y enciéndalo con su interruptor<br />
8) Realice el punto seis con una velocidad diferente mediante el interruptor <strong>de</strong> velocidad <strong>de</strong>l carro.<br />
Resultados y Conclusiones<br />
Usar la fórmula W = mgh, para obtener el trabajo realizado.<br />
Obtener la Potencia<br />
Usar la fórmula P = W/t, para obtener la potencia <strong>de</strong>sarrollada<br />
¿Cuánto trabajo realizaste en Joules (J)?<br />
¿Cuál es el cambio en la energía potencial?<br />
¿Cuál es la potencia?<br />
Elaborar <strong>de</strong> manera individual el reporte escrito <strong>de</strong> la práctica que <strong>de</strong>berá incluir las conclusiones <strong>de</strong> la misma.<br />
57
Objetivo:<br />
Determinar si este tipo <strong>de</strong> polea permite ahorrar fuerza<br />
Práctica 32<br />
POLEA FIJA<br />
En los terrenos <strong>de</strong> obras po<strong>de</strong>mos observar cómo una carga es tirada sobre una polea montada firmemente. ¿Es posible <strong>de</strong> esta<br />
manera ahorrar fuerza, es <strong>de</strong>cir, tirar con una fuerza menor a la fuerza <strong>de</strong>l peso <strong>de</strong> la carga?<br />
Material:<br />
1 Riel <strong>de</strong> soporte<br />
1 Varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm.<br />
2 Capuchones <strong>de</strong> plástico para varillas <strong>de</strong> soporte<br />
1 Varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm.<br />
1 Nuez<br />
1 Bulón con cojinetes<br />
1 Polea<br />
1 Dinamómetro 2 N<br />
1 Platillo para pesos <strong>de</strong> ranura<br />
3 Pesas <strong>de</strong> ranura 50 g<br />
2 Pesas <strong>de</strong> ranura 10 g<br />
1 Cordón<br />
1 Tijeras<br />
Introducción:<br />
Por <strong>de</strong>finición, cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo (F) y lo <strong>de</strong>splaza una cierta distancia (r) se dice que se realiza un trabajo<br />
mecánico.<br />
L=F*r<br />
Para jalar material, rescatar un herido o un compañero que ha caído en una grieta se ejerce un trabajo mecánico, ya que<br />
<strong>de</strong>splazamos un peso (entiéndase peso como una masa bajo la influencia <strong>de</strong> la gravedad, P=m*g) una cierta distancia.<br />
Las poleas fijas se utilizan para modificar la dirección <strong>de</strong>l movimiento y reducir el rozamiento <strong>de</strong> la cuerda en los cambios <strong>de</strong><br />
sentido. Con este tipo <strong>de</strong> poleas no se disminuye la fuerza, sólo se <strong>de</strong>svía. En este caso la distancia que recorre el peso es el mismo<br />
que la distancia <strong>de</strong> tiro.<br />
F=P<br />
58
La ventaja <strong>de</strong> utilizar poleas fija viene <strong>de</strong>l hecho que po<strong>de</strong>mos ayudarnos <strong>de</strong> nuestro propio peso corporal para ejercer la fuerza <strong>de</strong><br />
tiro.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación:<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo con la ilustración.<br />
1) Insertamos una varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm. a través <strong>de</strong> la perforación transversal <strong>de</strong>l riel <strong>de</strong> soporte.<br />
2) Ajustamos la varilla <strong>de</strong> soporte con ayuda <strong>de</strong>l tornillo moleteado.<br />
3) Colocamos los capuchones <strong>de</strong> plástico a ambos extremos <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte.<br />
4) Fijamos la varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm. normal al riel <strong>de</strong> soporte y sobre el mismo. Fijamos la nuez a la varilla <strong>de</strong> soporte normal.<br />
5) Aseguramos la polea en la nuez con ayuda <strong>de</strong>l bulón <strong>de</strong> cojinetes.<br />
6) Atamos gazas a ambos extremos <strong>de</strong> un cordón <strong>de</strong> aprox. 30 cm. Llevamos el cordón sobre la polea fija. Sostenemos<br />
verticalmente un dinamómetro (la parte movible hacia arriba) y ajustamos el punto cero en esta posición.<br />
Experimento<br />
1) Preparamos sucesivamente con los platillos y los pesos <strong>de</strong> ranura cargas <strong>de</strong> 60 g, 120g y 180 g.<br />
2) Suspen<strong>de</strong>mos cada carga <strong>de</strong>l extremo <strong>de</strong>l cordón y la sostenemos con ayuda <strong>de</strong>l dinamómetro, el cual lo suspen<strong>de</strong>mos <strong>de</strong> la gaza<br />
<strong>de</strong>l otro extremo <strong>de</strong>l cordón.<br />
3) Trasladamos a la tabla la fuerza <strong>de</strong> tracción indicada por el dinamómetro.<br />
Tenemos que sostener el dinamómetro inclinado. Así no es posible que se <strong>de</strong>n errores, ya que no hemos ajustado el punto cero para<br />
esta posición.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Masa <strong>de</strong> la carga 60 g 120 g 180 g<br />
Peso <strong>de</strong> la carga 0.6 N 1.2 N 1.8 N<br />
Fuerza <strong>de</strong> tracción _____N _____N _____ N<br />
La fuerza <strong>de</strong> tracción es tan gran<strong>de</strong> como la carga.<br />
Conclusión: la polea fija no hace posible un ahorro <strong>de</strong> fuerza. La polea nos sirve para cambiar la dirección <strong>de</strong> la fuerza por una<br />
dirección que nos sea más cómoda.<br />
59
Objetivo:<br />
Determinar si con la polea móvil se tiene un ahorro <strong>de</strong> fuerza<br />
Material:<br />
1 Riel <strong>de</strong> soporte<br />
1 Varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm.<br />
2 Capuchones <strong>de</strong> plástico para varillas <strong>de</strong> soporte<br />
1 Varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm.<br />
1 Nuez<br />
1 Bulón <strong>de</strong> cojinetes<br />
1 Polea con estribo<br />
2 Dinamómetros 2 N<br />
1 Platillo para pesos <strong>de</strong> ranura<br />
3 Pesas ranuradas 50 g<br />
2 Pesas ranuradas 10 g<br />
1 Cordón<br />
1 Tijeras<br />
Introducción:<br />
Práctica 33<br />
POLEA MOVIL<br />
Las poleas móviles tienen movimiento <strong>de</strong> traslación y la carga se reparte por igual sobre los segmentos <strong>de</strong> la cuerda, por lo que el<br />
esfuerzo se reduce (se multiplica la fuerza).<br />
F=P/2<br />
Atendiendo a la fórmula <strong>de</strong>l trabajo mecánico, para un trabajo <strong>de</strong>terminado al reducir la fuerza ejercida, se incrementará la<br />
distancia <strong>de</strong>l recorrido. Por otro lado para elevar una carga se <strong>de</strong>be hacer fuerza en sentido ascen<strong>de</strong>nte (más incómodo y poco<br />
efectivo).<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo con la ilustración.<br />
60
1) Insertamos una varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm. a través <strong>de</strong> la perforación transversal <strong>de</strong>l riel <strong>de</strong> soporte.<br />
2) Ajustamos la varilla <strong>de</strong> soporte con ayuda <strong>de</strong>l tornillo moleteado.<br />
3) Colocamos los capuchones <strong>de</strong> plástico a ambos extremos <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte.<br />
4) Fijamos la varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm. normal al riel <strong>de</strong> soporte y sobre el mismo. Fijamos la nuez a la varilla <strong>de</strong> soporte normal.<br />
5) Fijamos el bulon <strong>de</strong> cojinetes a la nuez.<br />
6) Atamos gazas a ambos extremos <strong>de</strong> un cordón <strong>de</strong> unos 30 cm. <strong>de</strong> longitud.<br />
7) Enganchamos una gaza al bulón <strong>de</strong> cojinetes.<br />
8) Enganchamos el dinamómetro 2 N a la otra gaza.<br />
9) Enganchamos la polea con el estribo a la gaza <strong>de</strong> tal manera que estribo <strong>de</strong> la polea se encuentre hacia abajo.<br />
10) Ajustamos el punto cero <strong>de</strong>l dinamómetro mientras éste se encuentre hacia abajo.<br />
11) Ajustamos el punto cero <strong>de</strong>l dinamómetro mientras éste se encuentra enganchado a la polea (<strong>de</strong> esta manera taramos el peso<br />
propio <strong>de</strong> la polea).<br />
Experimento 1:<br />
1) Preparamos sucesivamente con los platillos y los pesos <strong>de</strong> ranura cargas <strong>de</strong> 60 g, 120 g y 180 g respectivamente.<br />
2) Suspen<strong>de</strong>mos estas cargas <strong>de</strong> la corcheta <strong>de</strong>l estribo <strong>de</strong> la polea.<br />
3) Leemos en el dinamómetro la fuerza <strong>de</strong> tracción necesaria.<br />
4) Trasladamos los valores a la tabla 1.<br />
Experimento 2:<br />
1) Retiramos el cordón <strong>de</strong>l bulón <strong>de</strong> cojinetes y <strong>de</strong>slizamos la nuez con el bulón <strong>de</strong> cojinetes hacia el extremo superior <strong>de</strong> la varilla<br />
<strong>de</strong> soporte.<br />
2) Ahora suspen<strong>de</strong>mos un segundo dinamómetro 2 N <strong>de</strong>l bulón <strong>de</strong> cojinetes.<br />
3) Ajustamos el punto cero <strong>de</strong>l dinamómetro.<br />
4) Enganchamos el cordón por una <strong>de</strong> las gazas al dinamómetro, enganchamos el otro dinamómetro <strong>de</strong>l otro extremo <strong>de</strong>l cordón y<br />
enganchamos la polea al cordón. El dinamómetro en el bulón <strong>de</strong> cojinetes mi<strong>de</strong> la carga que <strong>de</strong>be soportar la suspensión. Nos<br />
aseguramos <strong>de</strong> que la suspensión soporte constantemente el resto <strong>de</strong> la carga.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Experimento 1<br />
Masa <strong>de</strong> la carga 60 g 120 g 180 g<br />
Peso <strong>de</strong> la carga 0.6 N 1.2 N 1.8 N<br />
Fuerza <strong>de</strong> tracción _____N _____N _____ N<br />
La fuerza <strong>de</strong> tracción es constantemente solo la mitad <strong>de</strong> la carga ¿Ha <strong>de</strong>saparecido una parte <strong>de</strong> ka fuerza <strong>de</strong>l peso?.<br />
Conclusión: con la polea móvil logramos un ahorro <strong>de</strong> fuerza. La fuerza necesaria es la mitad <strong>de</strong> carga.<br />
61
Objetivo:<br />
Determinar como se constituye un polipasto sencillo.<br />
Material:<br />
1 Riel <strong>de</strong> soporte<br />
1 Varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm.<br />
2 Capuchones <strong>de</strong> plástico para varillas <strong>de</strong> soporte<br />
1 Varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm.<br />
1 Nuez<br />
1 Bulón <strong>de</strong> cojinetes<br />
1 Polea<br />
1 Polea con estribo<br />
1 Dinamómetro 2 N<br />
1 Platillo para pesas ranuradas<br />
3 Pesas ranuradas 50 g<br />
2 Pesas ranuradas 10 g<br />
1 Cordón<br />
1 Tijeras<br />
Práctica 34<br />
POLIPASTO SENCILLO<br />
Introducción:<br />
El polipasto es una combinación <strong>de</strong> poleas fijas y móviles recorridas por una cuerda que tiene uno <strong>de</strong> sus extremos anclado en un<br />
punto fijo.<br />
Como el polipasto es el resultado <strong>de</strong> la combinación <strong>de</strong> los dos tipos <strong>de</strong> poleas, se beneficia <strong>de</strong> la ventaja <strong>de</strong> ambos sistemas:<br />
"disminuir el esfuerzo y una correcta dirección <strong>de</strong> tiro".<br />
En función <strong>de</strong>l número <strong>de</strong> poleas móviles que formen el conjunto se tendrá una mayor <strong>de</strong>smultiplicación <strong>de</strong> la fuerza ejercida.<br />
El número <strong>de</strong> poleas pue<strong>de</strong>n llegar a ser un inconveniente porque la distancia a la que pue<strong>de</strong> elevarse una carga <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la<br />
distancia entre las poleas. Los equipos <strong>de</strong> rescate para evitar este problema utilizan poleas fijas y móviles acopladas en ejes<br />
comunes.<br />
En la práctica el máximo número <strong>de</strong> poleas móviles que se utilizan es <strong>de</strong> 4, siendo el más habitual el <strong>de</strong> 1 o 2 poleas móviles.<br />
Cabe <strong>de</strong>stacar que estos cálculos son bajo situaciones i<strong>de</strong>ales ya que se consi<strong>de</strong>ra que la masa <strong>de</strong> la cuerda y <strong>de</strong> la polea son<br />
<strong>de</strong>spreciables, que no existe rozamiento en el giro <strong>de</strong> la polea sobre su eje ni entre la polea y la cuerda que realiza el esfuerzo, que<br />
el radio <strong>de</strong> la poleas es igual y que no existe dinamismo en la cuerda, por lo que los datos obtenidos en la laboratorio no alcanzan el<br />
valor teórico. Lo que si que influye verda<strong>de</strong>ramente es la dirección <strong>de</strong> tiro (y esto no lo tiene todo el mundo en cuenta). En las<br />
suposiciones anteriores se ha consi<strong>de</strong>rado que la dirección <strong>de</strong> tiro y la carga se encontraban paralelas. Pero si no se cumple este<br />
requisito la fuerza <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong>l ángulo. Para simplificar supongamos una polea móvil:<br />
F = P x cos a / 2<br />
Con lo que al variar el ángulo "a" obtendremos distintas ganancias mecánicas.<br />
0º -> P/2<br />
30º -> P/1.7<br />
45º -> P/1.4<br />
60º -> P<br />
De esta forma cuanto mayor sea el ángulo menor será la ganancia. Evi<strong>de</strong>ntemente el ángulo óptimo será el <strong>de</strong> 0º.<br />
Por último, otro factor influyente es el rozamiento <strong>de</strong> la cuerda en terreno inclinado o en el labio <strong>de</strong> una grieta. Este valor no es<br />
fácilmente cuantificable, pero su influencia es significativa<br />
62
Desarrollo experimental:<br />
Preparación<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo con al ilustración.<br />
1) Insertamos una varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm. a través <strong>de</strong> la perforación transversal <strong>de</strong>l riel <strong>de</strong> soporte.<br />
2) Ajustamos la con ayuda <strong>de</strong>l tornillo moleteado.<br />
3) Colocamos los capuchones plásticos ambos extremos la varilla <strong>de</strong> soporte.<br />
4) Fijamos varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm. normal al riel <strong>de</strong> soporte y sobre el mismo. Fijamos la nuez a la varilla <strong>de</strong> soporte normal.<br />
5) Fijamos la polea sin el estribo - a manera <strong>de</strong> polea fija - a la nuez por medio <strong>de</strong>l bulón <strong>de</strong> cojinetes.<br />
6) Atamos gazas a ambos extremos <strong>de</strong> un cordón <strong>de</strong> unos 70 cm. longitud.<br />
7) Enganchamos una gaza al bulón <strong>de</strong> cojinetes y <strong>de</strong> allí la llevamos sobre la polea con estribo sobre la polea fija. Suspen<strong>de</strong>mos el<br />
dinamómetro 2 N <strong>de</strong>l otro extremo <strong>de</strong>l cordón, sosteniendo a aquél verticalmente (con la parte movible hacia arriba).<br />
8) Ajustamos en esta posición el punto cero, con lo que taramos el peso <strong>de</strong> la polea móvil.<br />
Experimento<br />
1) Formamos sucesivamente con los platillos y los pesos <strong>de</strong> ranura cargas <strong>de</strong> 60 g, 120 g y 180 g respectivamente.<br />
2) Suspen<strong>de</strong>mos estas cargas <strong>de</strong> la corcheta <strong>de</strong>l estribo <strong>de</strong> la polea móvil.<br />
3) Leemos en el dinamómetro la fuerza <strong>de</strong> tracción necesaria.<br />
4) Trasladamos los valores a la tabla.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Masa <strong>de</strong> la carga 60 g 120 g 180 g<br />
Peso <strong>de</strong> la carga 0.6 N 1.2 N 1.8 N<br />
Fuerza <strong>de</strong> tracción _____N _____N _____ N<br />
Conclusión: El polipasto une las ventajas <strong>de</strong> las poleas fija y móvil. El polipasto sencillo, consistente <strong>de</strong> una polea fija y una móvil,<br />
posibilita un ahorro <strong>de</strong> energía <strong>de</strong> la mitad <strong>de</strong> la carga.<br />
El ahorro <strong>de</strong> fuerza proviene <strong>de</strong> la polea móvil, el cambio <strong>de</strong> dirección a una dirección para nosotros cómoda proviene <strong>de</strong> una polea<br />
fija.<br />
63
Práctica 35<br />
PALANCA <strong>DE</strong> DOS LADOS<br />
Objetivo:<br />
Buscar la condición <strong>de</strong> equilibrio para una palanca sobre cuyos dos lados actúan fuerzas<br />
Material:<br />
1 riel <strong>de</strong> soporte<br />
1 varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm.<br />
2 capuchones <strong>de</strong> plástico para varillas <strong>de</strong> soporte<br />
1 varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm.<br />
1 nuez<br />
1 bulón <strong>de</strong> cojinetes<br />
1 brazo <strong>de</strong> palanca<br />
2 platillos para pesos <strong>de</strong> ranura<br />
4 pesas ranuradas <strong>de</strong> 50 g<br />
4 pesas ranuradas <strong>de</strong> 10 g<br />
Introducción:<br />
La palanca es una máquina simple compuesta por una barra rígida que pue<strong>de</strong> girar libremente alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> un punto <strong>de</strong> apoyo, o<br />
fulcro. Pue<strong>de</strong> utilizarse para amplificar la fuerza mecánica que se aplica a un objeto, o para incrementar la distancia recorrida por<br />
un objeto en respuesta a la aplicación <strong>de</strong> una fuerza.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo con la ilustración.<br />
1) Insertamos la varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm. a través <strong>de</strong> la perforación transversal <strong>de</strong>l riel <strong>de</strong> soporte.<br />
2) Colocamos los capuchones <strong>de</strong> plástico a ambos extremos <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte.<br />
3) Ajustamos la varilla <strong>de</strong> soporte con ayuda <strong>de</strong>l tornillo moleteado.<br />
4) Fijamos la varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm. perpendicularmente al riel <strong>de</strong> soporte.<br />
5) Arriba, sobre la varilla <strong>de</strong> soporte fijamos una nuez.<br />
6) Fijamos el brazo <strong>de</strong> palanca a la nuez en el orificio superior con ayuda <strong>de</strong>l bulón <strong>de</strong> cojinetes, <strong>de</strong> manera que el brazo <strong>de</strong> palanca<br />
pueda girar. El brazo <strong>de</strong> palanca posee espigas <strong>de</strong> plástico a intervalos <strong>de</strong> 2 cm. respectivamente.<br />
De esta manera po<strong>de</strong>mos calcular fácilmente la distancia al eje <strong>de</strong> rotación. Como fuerza efectiva utilizamos las fuerzas <strong>de</strong>l peso <strong>de</strong><br />
dos masas, las cuales están formadas por un platillo (masa 10g) y por pesas <strong>de</strong> ranura (masa 10 g o 50 g respectivamente).<br />
Experimento:<br />
1) Se proporciona con anticipación el brazo <strong>de</strong> fuerza izquierdo (o sea la distancia <strong>de</strong>l eje <strong>de</strong> rotación) respectivamente, mientras<br />
que <strong>de</strong>terminamos por medio <strong>de</strong>l experimento el brazo <strong>de</strong>recho <strong>de</strong> fuerza, con el cual obtenemos el equilibrio. Trasladamos los<br />
resultados <strong>de</strong>l experimento a la tabla.<br />
64
Resultados y conclusiones:<br />
Masa<br />
Izquierda (g)<br />
Fuerza F1<br />
izquierda (N)<br />
Brazo <strong>de</strong><br />
fuerza I1,<br />
izquierdo<br />
(divisiones)<br />
60 4 120<br />
60 8 120<br />
60 10 120<br />
20 3 60<br />
20 6 60<br />
20 9 60<br />
10 6 60<br />
10 7 70<br />
10 8 80<br />
60 8 80<br />
Masa <strong>de</strong>recha<br />
(g)<br />
65<br />
Fuerza F2<br />
izquierda (N)<br />
Brazo <strong>de</strong><br />
fuerza I2,<br />
izquierdo<br />
(divisiones)<br />
En la palanca <strong>de</strong> dos lados existe el equilibrio cuando se cumple la condición siguiente:<br />
Fuerza x brazo <strong>de</strong> fuerza (izquierda) = Fuerza x brazo <strong>de</strong> fuerza (<strong>de</strong>recha).<br />
Indicación: Damos siempre la fuerza <strong>de</strong>l peso con un pequeño error cuando damos para la masa 10 g, la fuerza <strong>de</strong>l peso <strong>de</strong> 0.1 N.<br />
El cálculo <strong>de</strong> las divisiones <strong>de</strong> la palanca en cm. es fácil <strong>de</strong> llevar a cabo, si así se <strong>de</strong>sea.
Objetivo:<br />
Comprobar el principio <strong>de</strong> Arquíme<strong>de</strong>s<br />
Material:<br />
1 Riel <strong>de</strong> soporte<br />
2 Varillas <strong>de</strong> soporte 25 cm.<br />
2 Capuchones <strong>de</strong> plástico para varillas <strong>de</strong> soporte<br />
1 Varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm.<br />
1 Nuez<br />
1 Bulón <strong>de</strong> cojinetes<br />
1 Nuez redonda<br />
1 Paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio<br />
1 Paralelepípedo hueco<br />
1 Cilindro graduado<br />
1 Vaso <strong>de</strong> precipitados<br />
1 Dinamómetro 2 N<br />
1 Cordón<br />
1 Tijeras<br />
Agua<br />
Introducción:<br />
Principio <strong>de</strong> Arquíme<strong>de</strong>s<br />
Práctica 36<br />
PRINCIPIO <strong>DE</strong> ARQUIMI<strong>DE</strong>S<br />
El hecho <strong>de</strong> que algunos objetos puedan flotar o que parezcan ser más ligeros cuando se sumergen en un líquido, se <strong>de</strong>be a una<br />
fuerza ascen<strong>de</strong>nte que ejercen los fluidos sobre los cuerpos totales o parcialmente sumergidos en ellos. Fue el sabio griego<br />
Arquíme<strong>de</strong>s (287- 212ª.C.) quien primero estudió este fenómeno, el cual se conoce precisamente como principio <strong>de</strong> Arquíme<strong>de</strong>s.<br />
Este principio establece que:<br />
Todo cuerpo sumergido en un fluido sufre un empuje hacia arriba con una fuerza igual al peso <strong>de</strong>l fluido que se <strong>de</strong>splaza.<br />
Arquíme<strong>de</strong>s, gran pensador griego nació en Siracusa. Estudió las leyes fundamentales <strong>de</strong> la mecánica, la hidrostática y muchos<br />
conceptos matemáticos. Sobre él se han escrito varias anécdotas, entre las que <strong>de</strong>staca aquella cuando afirmó: "Dadme un poco <strong>de</strong><br />
apoyo y moveré al mundo".<br />
Supongamos que un recipiente flota en un líquido. La posición <strong>de</strong>l recipiente que se encuentra sumergida en el líquido está<br />
<strong>de</strong>splazado hacia los lados un volumen <strong>de</strong> líquido igual a esa posición sumergida.<br />
De esta manera, la misma fuerza que sostenía el peso <strong>de</strong> esa posición <strong>de</strong> líquido <strong>de</strong>splazada, sostiene ahora el recipiente, es <strong>de</strong>cir,<br />
la fuerza <strong>de</strong> empuje hidrostática es igual al peso <strong>de</strong>l líquido <strong>de</strong>splazado.<br />
Para po<strong>de</strong>r explicar el fenómeno imaginemos un cuerpo, <strong>de</strong> forma cualquiera, sumergido en un líquido; el cual ejerce fuerza en<br />
torno al cuerpo <strong>de</strong>bido a la presión hidrostática; la presión es mayor en los puntos que se encuentran a mayor profundidad.<br />
El empuje Hidrostático es igual al peso <strong>de</strong>l líquido <strong>de</strong>splazado por un cuerpo, si el peso <strong>de</strong> éste, es igual al peso <strong>de</strong>l volumen <strong>de</strong>l<br />
líquido que <strong>de</strong>splaza, entonces se mantiene en equilibrio <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l líquido.<br />
Por tanto, existe una fuerza <strong>de</strong> flotación resultante hacia arriba llamado empuje Hidrostático.<br />
El hecho <strong>de</strong> que un cuerpo flote o se hunda <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> su peso (hacia abajo), y <strong>de</strong> la magnitud <strong>de</strong> empuje hidrostático (hacia<br />
arriba), si el peso <strong>de</strong> su cuerpo es mayor que el peso <strong>de</strong>l líquido que <strong>de</strong>splaza, el cuerpo se hun<strong>de</strong>.<br />
Si el peso es menor que el peso <strong>de</strong>l líquido que <strong>de</strong>splaza, entonces el cuerpo flota.<br />
66
Si el peso <strong>de</strong>l cuerpo y el peso <strong>de</strong>l líquido que <strong>de</strong>splaza son iguales, entonces se mantiene en equilibrio <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l líquido.<br />
Para calcular el valor <strong>de</strong>l empuje hidrostático es necesario consi<strong>de</strong>rar el volumen <strong>de</strong>l cuerpo sumergido (el cual será el volumen <strong>de</strong>l<br />
líquido <strong>de</strong>splazado) y el peso específico <strong>de</strong>l líquido. A mayor volumen <strong>de</strong> líquido <strong>de</strong>splazado el empuje es mayor; a mayor peso<br />
específico, mayor empuje también.<br />
Empuje hidrostático = peso específico x volumen<br />
E=PeV<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación<br />
Montaje <strong>de</strong> acuerdo a Ia ilustración.<br />
1) Insertamos una varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm. a través <strong>de</strong> la perforación transversal <strong>de</strong>l riel <strong>de</strong> soporte.<br />
2) Ajustamos la varilla <strong>de</strong> soporte con ayuda <strong>de</strong>l tornillo moleteado.<br />
3) Colocamos los capuchones <strong>de</strong> plástico a ambos extremos <strong>de</strong> la varilla <strong>de</strong> soporte.<br />
4) Unamos la varilla <strong>de</strong> soporte 50 cm. a la segunda varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm. por medio <strong>de</strong> la nuez redonda y la fijamos<br />
perpendicularmente al riel <strong>de</strong> soporte.<br />
5) Fijamos arriba sobre la varilla <strong>de</strong> soporte una nuez con bulón <strong>de</strong> cojinetes. De ésta suspen<strong>de</strong>mos el dinamómetro 2 N.<br />
6) Preparamos el cilindro graduado Llenándolo con agua hasta la marca <strong>de</strong> 80 ml.<br />
7) Nos aseguramos <strong>de</strong> que el paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio encaje bien en el paralelepípedo hueco, es <strong>de</strong>cir, que éste contenga tanto<br />
líquido como sea <strong>de</strong>splazado por el paralelepípedo hueco y el paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio.<br />
Experimento:<br />
1) Leemos en el dinamómetro el peso: _____N.<br />
2) Sumergimos completamente el paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio en el cilindro graduado, el cual está lleno con agua hasta la marca 80<br />
ml (bájese correspondientemente la nuez con el bulón <strong>de</strong> cojinetes). El paralelepípedo hueco no <strong>de</strong>be sumergirse en el agua.<br />
3) Leemos en el dinamómetro el peso reducido en el empuje hidrostático:_____ N.<br />
4) Vertemos, agua <strong>de</strong>l vaso, <strong>de</strong> precipitados en el paralelepípedo hueco y <strong>de</strong> nuevo cuidamos <strong>de</strong> que el paralelepípedo <strong>de</strong> aluminio<br />
se sumerja completamente en el agua.<br />
Leemos <strong>de</strong> nuevo en el dinamómetro el peso: _____N<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Conclusión: el empuje hidrostático (La reducción <strong>de</strong>l peso) es igual al peso <strong>de</strong>l líquido <strong>de</strong>splazado.<br />
67
Práctica 37<br />
BLINDAJE ELÉCTRICO<br />
Objetivo:<br />
Reconocer las implicaciones <strong>de</strong> Michael <strong>de</strong> los trabajos <strong>de</strong> Faraday. I<strong>de</strong>ntificará el fenómeno <strong>de</strong>l blindaje eléctrico a través <strong>de</strong> un<br />
experimento. Reconocerá el principio electrostático <strong>de</strong>l blindaje eléctrico.<br />
Material:<br />
Bitácora<br />
Lápiz<br />
Papel<br />
1 Pequeña cola<strong>de</strong>ra <strong>de</strong> plástico.<br />
1 Pequeña cola<strong>de</strong>ra metálica.<br />
1 Peine <strong>de</strong> plástico.<br />
Introducción:<br />
Un blindaje es una superficie metálica dispuesta entre dos regiones <strong>de</strong>l espacio que se utiliza para atenuar la propagación <strong>de</strong> los<br />
campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos. Entonces un blindaje sirve tanto para no <strong>de</strong>jar escapar los campos <strong>de</strong> la zona<br />
encerrada en el, como para evitar que en una zona protegida por el mismo entre campo alguno. La forma en que se presentan los<br />
blindajes son: cajas, armarios, juntas eléctricas, compartimentos internos, pinturas conductoras, láminas metálicas, diferentes tipos<br />
<strong>de</strong> <strong>de</strong>pósitos conductores sobre plásticos, etc.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Electrizar material.<br />
1) Colocar los pedazos <strong>de</strong> papel sobre la superficie <strong>de</strong>l LDM.<br />
2) Electrizar el peine pasándolo por sus cabellos. Como sabes por inducción electrostática, el peine atraerá los pedazos <strong>de</strong> papel.<br />
3) Colocar la cola<strong>de</strong>ra <strong>de</strong> plástico limpia y seca, sobre los pedazos <strong>de</strong> papel y acercar el peine (Vas a observar que el peine continua<br />
atrayendo al papel.)<br />
Anote sus observaciones en cada paso <strong>de</strong>l experimento.<br />
Figura 1<br />
Formar el blindaje eléctrico.<br />
1) Sustituir la cola<strong>de</strong>ra <strong>de</strong> plástico por la cola<strong>de</strong>ra metálica y una vez más aproxima el peine electrizado a los pedazos <strong>de</strong> papel.<br />
2) Mantener el peine en la posición anterior, al retirar la cola<strong>de</strong>ra metálica y vas a observar que el peine continua atrayendo a los<br />
pedazos <strong>de</strong> papel.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
¿Por qué la cola<strong>de</strong>ra metálica no permite la interacción eléctrica? Justifica tu respuesta.<br />
68
Práctica 38<br />
CONSTRUCCIÓN <strong>DE</strong> UNA BRÚJULA RUDIMENTARIA<br />
Objetivo:<br />
Comprobar la existencia <strong>de</strong>l campo magnético terrestre, a través <strong>de</strong> la construcción <strong>de</strong> una brújula rudimentaria. Reconocer el<br />
concepto <strong>de</strong> imantación, confirmar la influencia magnética terrestre.<br />
Material:<br />
1 aguja.<br />
1 imán permanente.<br />
1 cinta adhesiva.<br />
1 Lámina <strong>de</strong> corcho.<br />
1vaso <strong>de</strong> precipitado <strong>de</strong> 100 ml. con agua<br />
Papel higiénico<br />
Introducción:<br />
Una brújula apunta en la dirección Norte - Sur por tratarse <strong>de</strong> una aguja imantada inmersa en el campo magnético terrestre: <strong>de</strong>s<strong>de</strong><br />
este punto <strong>de</strong> vista, la Tierra se comporta como un imán gigantesco y tiene polos magnéticos, los cuales, en la actualidad, no<br />
coinci<strong>de</strong>n con los polos geográficos.<br />
Origen <strong>de</strong>l campo magnético terrestre<br />
El origen <strong>de</strong>l campo terrestre permanece aún sin una explicación <strong>de</strong>finitiva, si bien la teoría comúnmente aceptada es la generación<br />
<strong>de</strong>l campo magnético por el Efecto Dinamo. Esta teoría muestra como un fluido conductor en movimiento (como es el magma<br />
terrestre) pue<strong>de</strong> generar y mantener un campo magnético como el <strong>de</strong> la tierra<br />
Desarrollo experimental:<br />
Magnetizar aguja.<br />
1) Friccionar uno <strong>de</strong> los dos polos <strong>de</strong>l imán a lo largo <strong>de</strong> aguja, siempre en el mismo sentido. Después <strong>de</strong> un tiempo <strong>de</strong> repetir esta<br />
operación, la aguja estará temporalmente magnetizada.<br />
Comprobar magnetización <strong>de</strong> la aguja.<br />
1) Levantar la aguja con el imán.<br />
Construir brújula.<br />
1) Con lámina <strong>de</strong> corcho recortar un circulo <strong>de</strong> aproximadamente 3 cm., <strong>de</strong> diámetro.<br />
2) Colocamos la aguja encima <strong>de</strong>l círculo <strong>de</strong> corcho para que al posarlo encima <strong>de</strong>l el agua no se hunda. Hay que tener mucho<br />
cuidado y no mover la mesa para evitar que la aguja se vaya al fondo.<br />
3) Posamos el círculo con la aguja sobre el agua. Así la aguja estará libre para girar <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l vaso. La aguja se <strong>de</strong>berá orientar en<br />
la dirección norte-sur geográfica <strong>de</strong> la Tierra.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
¿Hacia adon<strong>de</strong> apunta el Norte <strong>de</strong> su brújula?<br />
¿Correspon<strong>de</strong> con tu intuición previa al respecto?<br />
¿Explica el fenómeno <strong>de</strong> magnetización?<br />
69
Práctica 39<br />
PROPAGACION RECTILINEA <strong>DE</strong> LA LUZ<br />
Objetivo:<br />
Estudiar cómo se propaga la luz.<br />
Determinar el tipo y la forma <strong>de</strong> propagación utilizando el método <strong>de</strong>l visor.<br />
Material:<br />
Caja luminosa, halógena 12V/20W<br />
con 3 diafragmas <strong>de</strong> cierre hermético<br />
con 1 diafragma, 1/2 rendijas<br />
con 1 diafragma, 3/5 rendijas<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Introducción:<br />
La luz emitida por las fuentes luminosas es capaz <strong>de</strong> viajar a través <strong>de</strong> materia o en ausencia <strong>de</strong> ella, aunque no todos los medios<br />
permiten que la luz se propague a su través.<br />
Des<strong>de</strong> este punto <strong>de</strong> vista, las diferentes sustancias materiales se pue<strong>de</strong>n clasificar en opacas, transparentes y traslucidas. Aunque la<br />
luz es incapaz <strong>de</strong> traspasar las opacas, pue<strong>de</strong> atravesar las otras. Las sustancias transparentes tienen, a<strong>de</strong>más, la propiedad <strong>de</strong> que la<br />
luz sigue en su interior una sola dirección. Éste es el caso <strong>de</strong>l agua, el vidrio o el aire. En cambio, en las traslucidas la luz se<br />
dispersa, lo que da lugar a que a través <strong>de</strong> ellas no se puedan ver las imágenes con niti<strong>de</strong>z. El papel vegetal o el cristal esmerilado<br />
constituyen algunos ejemplos <strong>de</strong> objetos traslúcidos.<br />
En un medio que a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> ser transparente sea homogéneo, es <strong>de</strong>cir, que mantenga propieda<strong>de</strong>s idénticas en cualquier punto <strong>de</strong>l<br />
mismo, la luz se propaga en línea recta. Esta característica, conocida <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la antigüedad, constituye una ley fundamental <strong>de</strong> la<br />
óptica geométrica. Dado que la luz se propaga en línea recta, para estudiar los fenómenos ópticos <strong>de</strong> forma sencilla, se acu<strong>de</strong> a<br />
algunas simplificaciones útiles. Así, las fuentes luminosas se consi<strong>de</strong>ran puntuales, esto es, como si estuvieran concentradas en un<br />
punto, <strong>de</strong>l cual emergen rayos <strong>de</strong> luz o líneas rectas que representan las direcciones <strong>de</strong> propagación. Un conjunto <strong>de</strong> rayos que<br />
parten <strong>de</strong> una misma fuente se <strong>de</strong>nomina haz. Cuando la fuente se encuentra muy alejada <strong>de</strong>l punto <strong>de</strong> observación, a efectos<br />
prácticos, los haces se consi<strong>de</strong>ran formados por rayos paralelos. Si por el contrario la fuente está próxima la forma <strong>de</strong>l haz es<br />
cónica.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Montaje<br />
Figura 1 Figura 2<br />
Ver figura 1<br />
1) Coloca en la mesa la hoja <strong>de</strong> papel, y la caja luminosa con la parte <strong>de</strong> la lámpara sobre el papel, como se ve en la figura 1.<br />
2) Marca a lápiz con rayas finas, la posición <strong>de</strong> la caja luminosa.<br />
Experimento 1<br />
Leyes <strong>de</strong> la propagación <strong>de</strong> la luz<br />
1) Conecta la caja luminosa a la fuente <strong>de</strong> alimentación (12 V).<br />
2) Observa, la luz que sale <strong>de</strong> la caja, y marca con pares <strong>de</strong> cruces el bor<strong>de</strong> superior e inferior <strong>de</strong>l haz.<br />
3) Une las cruces <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> sus lados y rellena con un lápiz amarillo la superficie ocupada por el haz <strong>de</strong> la luz.<br />
¿Cómo discurren los límites <strong>de</strong> haz <strong>de</strong> la luz? Anota lo que observas.<br />
4) Dale la vuelta al papel, coloca la caja luminosa sobre la otra cara (figura 1), y marca su posición con un lápiz.<br />
5) Sujeta en el haz a unos 2 cm. <strong>de</strong> distancia <strong>de</strong> la caja luminosa, el diafragma <strong>de</strong> tres rendijas. Observa la trayectoria <strong>de</strong> la luz<br />
antes y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong>l diafragma.<br />
70
6) Marca los bor<strong>de</strong>s <strong>de</strong> los dos haces anchos (arriba y abajo), y los haces estrechos visibles con dos cruces cada uno. Une con una<br />
línea todas las cruces que se correspondan, colorea <strong>de</strong> nuevo los dos haces más anchos con el lápiz amarillo.<br />
¿Cómo discurren los bor<strong>de</strong>s <strong>de</strong> los haces más anchos y los haces estrechos? Anota <strong>de</strong> nuevo lo que observas.<br />
7) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación y quita la caja luminosa <strong>de</strong> papel.<br />
Realiza las siguientes observaciones:<br />
1) La trayectoria <strong>de</strong> los límites <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz<br />
2) Trayectoria <strong>de</strong> los bor<strong>de</strong>s <strong>de</strong> los haces anchos<br />
3) Trayectoria <strong>de</strong> los haces estrechos<br />
Experimento 2<br />
Método <strong>de</strong>l visor<br />
Ver la figura 2<br />
1) Coloca en la caja luminosa el diafragma <strong>de</strong> tres rendijas en la parte <strong>de</strong> la lámpara, y ponla sobre el bor<strong>de</strong> <strong>de</strong> una hoja <strong>de</strong> papel<br />
(figura 2).<br />
2) Conecta la caja a la fuente <strong>de</strong> alimentación (12V).<br />
3) Marca la posición <strong>de</strong> la caja, el orificio central <strong>de</strong>l diafragma <strong>de</strong> tres rendijas a través <strong>de</strong> la rendija <strong>de</strong>l otro diafragma, Deberás<br />
<strong>de</strong>splazar cuidadosamente, en sentido transversal, el diafragma <strong>de</strong> tres rendijas<br />
Realiza las siguientes observaciones:<br />
1) Posición <strong>de</strong> las marcas <strong>de</strong> lápiz y <strong>de</strong>l orificio <strong>de</strong>l diafragma<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1) Compara los resultados <strong>de</strong>l Ejercicio 1 y 2 ¿Que tienen en común y en que se diferencian?<br />
2) ¿Que ley podrías formular sobre la propagación <strong>de</strong> la luz?<br />
3) Piensa en algunas aplicaciones técnicas <strong>de</strong> la ley que has encontrado, pon dos ejemplos.<br />
4) ¿Como se propaga la luz?<br />
En la primera parte <strong>de</strong>l experimento los alumnos estudiarán experimentalmente una <strong>de</strong> las propieda<strong>de</strong>s esenciales <strong>de</strong> la luz, su<br />
propagación rectilínea en un medio homogéneo. Esta ley se utiliza para razonar los resultados <strong>de</strong> la segunda parte <strong>de</strong>l<br />
experimento, abriéndose el camino metodológico para consi<strong>de</strong>rar importantes aplicaciones técnicas <strong>de</strong> la propagación rectilínea <strong>de</strong><br />
la luz.<br />
Mientras que en el Ejercicio 1 se <strong>de</strong>termina la propagación rectilínea <strong>de</strong> la luz objetivamente con una regla, en el Ejercicio 2 se<br />
trata <strong>de</strong> <strong>de</strong>mostrar la propagación rectilínea a través <strong>de</strong>l visor.<br />
71
Práctica 40<br />
REFLEXION <strong>DE</strong> LA LUZ<br />
Objetivo:<br />
Estudiar como se comportan cuerpos opacos con superficies diferentes, cuando son iluminados por un haz <strong>de</strong> luz.<br />
Material<br />
Caja luminosa, halógena, 12V/20W<br />
con 3 diafragmas <strong>de</strong> cierre hermético<br />
con un diafragma, 1/2 rendijas<br />
con 1 diafragma, 3/5 rendijas<br />
Espejo sobre taco<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Papel o cartón <strong>de</strong> distintas clases (blanco, negro y <strong>de</strong> color, tamaño 8 cm. x 8 cm.)<br />
Láminas <strong>de</strong> aluminio (arrugada y lisa, tamaño 8 cm. x 8 cm.)<br />
Papel blanco<br />
Introducción:<br />
La reflexión es un fenómeno que se produce cuando la luz choca contra la superficie <strong>de</strong> separación <strong>de</strong> dos medios diferentes (ya<br />
sean gases como la atmósfera, líquidos como el agua o sólidos) y está regida por la ley <strong>de</strong> la reflexión. La dirección en que sale<br />
reflejada la luz viene <strong>de</strong>terminada por el tipo <strong>de</strong> superficie. Si es una superficie brillante o pulida se produce la reflexión regular en<br />
que toda la luz sale en una única dirección. Si la superficie es mate y la luz sale <strong>de</strong>sperdigada en todas direcciones se llama<br />
reflexión difusa. Y, por último, está el caso intermedio, reflexión mixta, en que predomina una dirección sobre las <strong>de</strong>más. Esto se<br />
da en superficies metálicas sin pulir, barnices, papel brillante, etc.<br />
La reflexión <strong>de</strong> la luz se representa por medio <strong>de</strong> dos rayos: el que llega a una superficie, rayo inci<strong>de</strong>nte, y el que sale "rebotado"<br />
<strong>de</strong>spués <strong>de</strong> reflejarse, rayo reflejado.<br />
Si se traza una recta perpendicular a la superficie (que se <strong>de</strong>nomina normal), el rayo inci<strong>de</strong>nte forma un ángulo con dicha recta, que<br />
se llama ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia.<br />
La reflexión <strong>de</strong> la luz es el cambio <strong>de</strong> dirección que experimenta un rayo luminoso al chocar contra la superficie <strong>de</strong> los cuerpos. La<br />
luz reflejada sigue propagándose por el mismo medio que la inci<strong>de</strong>nte.<br />
La reflexión <strong>de</strong> la luz cumple dos leyes:<br />
- El rayo inci<strong>de</strong>nte, el reflejado y la normal están en un mismo plano perpendicular a la superficie.<br />
- El ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia es igual al ángulo <strong>de</strong> reflexión.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación:<br />
1) Coloca la hoja <strong>de</strong> papel blanco sobre la mesa <strong>de</strong>lante <strong>de</strong> ti, en sentido vertical.<br />
2) Coloca la caja luminosa sobre el bor<strong>de</strong> <strong>de</strong>l papel, con el lado <strong>de</strong> la lente orientado hacia ti. Pon el diafragma <strong>de</strong> una rendija en el<br />
foco <strong>de</strong> luz y marca la posición <strong>de</strong> la caja luminosa (figura 1).<br />
72
Experimento<br />
Figura 1<br />
1) Conecta la caja luminosa a la fuente <strong>de</strong> alimentación (12V).<br />
2) Sujeta a unos 10 cm. <strong>de</strong>l orificio <strong>de</strong> la caja luminosa el trozo <strong>de</strong> papel negro, o cartón, oblicuo al sentido <strong>de</strong> la luz (figura 1), <strong>de</strong><br />
modo que no pueda pasar la luz <strong>de</strong>trás.<br />
3) Observa con mucha atención la zona <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia <strong>de</strong> la luz sobre el papel y anota lo que has observado en la tabla 1.<br />
4) Repite la observación con todas las otras clases <strong>de</strong> papel y láminas. Anota los resultados en la tabla 1.<br />
5) Realiza finalmente este experimento con el espejo.<br />
¿Qué variaciones pue<strong>de</strong>s observar respecto a los experimentos anteriores?<br />
Anota lo que observes también en la tabla 1<br />
6) Coloca ahora el diafragma <strong>de</strong> tres rendijas en la caja luminosa. Varía el ángulo <strong>de</strong>l espejo y observa las trayectorias <strong>de</strong> los haces<br />
<strong>de</strong> luz estrechos. Dibuja lo que observes en la figura 2: cuando la luz inci<strong>de</strong> casi paralela sobre el espejo y cuando inci<strong>de</strong> casi<br />
perpendicular.<br />
7) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Cuerpos opacos Observaciones en la zona <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia <strong>de</strong> la luz<br />
Papel negro<br />
Papel blanco<br />
Papel <strong>de</strong> color<br />
Lamina <strong>de</strong> aluminio arrugada<br />
Lamina <strong>de</strong> aluminio lisa<br />
Espejo<br />
Figura 2<br />
1) ¿Qué cuerpos reflejan casi totalmente la luz?<br />
2) ¿En qué se diferencian estos cuerpos <strong>de</strong> los otros?<br />
3) ¿Qué es la reflexión <strong>de</strong> la luz? Describe el fenómeno físico que has conocido en este experimento.<br />
4) Compara los dos resultados <strong>de</strong>l experimento <strong>de</strong> la figura 2. Formula un enunciado sobre el ángulo que forma el haz <strong>de</strong><br />
inci<strong>de</strong>ncia y el reflejado en diferentes posiciones <strong>de</strong>l espejo.<br />
5) ¿Por qué no se enmarcan los cuadros con cristal en las galerías <strong>de</strong> arte, a pesar <strong>de</strong> que el cristal protegería el cuadro?<br />
6) ¿Por qué no se ve bien en un espejo empañado?<br />
73
Práctica 41<br />
REFLEXIÓN EN EL ESPEJO PLANO<br />
Objetivo:<br />
Estudiar si hay relación entre la dirección <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz que inci<strong>de</strong> en un espejo plano y la dirección <strong>de</strong>l haz reflejado<br />
Estudiar como colocarías una hoja <strong>de</strong> papel para ver en toda su longitud el haz reflejado<br />
Material:<br />
Caja luminosa, halógena, 12V/20W<br />
con 3 diafragmas <strong>de</strong> cierre hermético<br />
con 1 diafragma, 1/2 rendijas<br />
Espejo sobre taco<br />
Disco óptico<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong> 12 V<br />
Papel blanco, DIN A4 (pue<strong>de</strong> usarse papel común tamaño carta, blanco).<br />
Libro con dorso ancho<br />
Introducción:<br />
Cuando un rayo <strong>de</strong> luz que se propaga a través <strong>de</strong> un medio homogéneo encuentra en su camino una superficie bien pulida, se<br />
refleja en ella siguiendo una serie <strong>de</strong> leyes. Este fenómeno es conocido como reflexión regular o especular. Algunos metales como<br />
la plata y el aluminio absorben poco la luz blanca y si construimos con ellos láminas metálicas muy pulimentadas po<strong>de</strong>mos lograr<br />
que reflejen la luz <strong>de</strong> tal manera que los rayos reflejados se vean con una intensidad comparable a la <strong>de</strong> los rayos inci<strong>de</strong>ntes. A<br />
estas superficies les llamamos espejos y pue<strong>de</strong>n ser planos o curvos. Hoy en día los espejos se construyen <strong>de</strong> vidrio, pero en la<br />
antigüedad los primeros espejos eran <strong>de</strong> metal.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Dirección <strong>de</strong> los haces <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>nte y reflejado.<br />
Figura 1<br />
1) Coloca el disco graduado, llamado “disco óptico”, sobre la hoja <strong>de</strong> papel, como se indica en la figura 2).<br />
2) Escribe 0º en la hoja, junto a la línea horizontal, y marca sobre esta hoja también otros ángulos (figura 1).<br />
3) Coloca el espejo plano en el centro <strong>de</strong>l disco, exactamente sobre la línea vertical.<br />
4) Coloca el diafragma <strong>de</strong> un rendija en la caja luminosa, en el lado <strong>de</strong> la lente.<br />
5) Conecta la caja luminosa a la fuente <strong>de</strong> alimentación (12V-).<br />
6) Coloca la caja luminosa <strong>de</strong> forma que el haz <strong>de</strong> luz estrecho incida en el espejo exactamente con un ángulo α <strong>de</strong> 60º (figura<br />
1).Cuida que el haz <strong>de</strong> luz <strong>de</strong> la caja luminosa incida exactamente en el punto <strong>de</strong> intersección <strong>de</strong> las Líneas <strong>de</strong>l disco óptico.<br />
7) Lee el ángulo <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz reflejado.<br />
8) Este es el ángulo β (ángulo <strong>de</strong> reflexión) entre la línea 0° (llamada normal al plano <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia) y el haz reflejado; mira<br />
también la figura 1.<br />
9) Anota su valor en la tabla 1; repite este experimento con todos los ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α dados en la tabla, y otros tres<br />
ángulos α tu elección. Anota todos los valores medidos en la tabla.<br />
10) Haz finalmente incidir la luz a lo largo <strong>de</strong> la Línea 0° (la normal al plano <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia). Observa el haz reflejado; ¿qué valor<br />
tiene ahora el ángulo β? Anótalo también en la tabla.<br />
74
11) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación.<br />
Posición <strong>de</strong> los haces <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>nte y reflejado<br />
1) Cambia el montaje <strong>de</strong>l experimento conforme a la figura 2.<br />
Figura 2<br />
Para esto dobla una hoja <strong>de</strong> papel por la mitad y colócala sobre un libro grueso, <strong>de</strong> modo que el doblez coincida con el bor<strong>de</strong> <strong>de</strong>l<br />
libro. El espejo está en la parte inferior <strong>de</strong> la hoja, coincidiendo con el doblez y el bor<strong>de</strong> <strong>de</strong>l libro.<br />
2) Conecta <strong>de</strong> nuevo la caja luminosa (con el diafragma <strong>de</strong> una rendija en el lado <strong>de</strong> la lente) a la fuente <strong>de</strong> alimentación (12V), y<br />
colócala sobre la hoja <strong>de</strong> papel y el libro, como en la figura 2.<br />
3) Haz que incida oblicuamente sobre el espejo un haz <strong>de</strong> luz estrecho, <strong>de</strong> modo que el punto <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia sobre el espejo esté<br />
unos 2 cm. <strong>de</strong>lante <strong>de</strong>l doblez <strong>de</strong> la hoja (figura 2).<br />
4) Observa el haz <strong>de</strong> luz reflejado. Mueve la otra mitad <strong>de</strong> la hoja con cuidado hacia arriba (hasta 90°) y hacia abajo, sin que el<br />
espejo se mueva.<br />
¿Qué observas con respecto a la visibilidad <strong>de</strong> toda la longitud <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz reflejado en esta mitad <strong>de</strong> la hoja <strong>de</strong> papel?.<br />
5) Anota tus observaciones, <strong>de</strong>sconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación y quita la caja luminosa <strong>de</strong>l papel.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Dirección <strong>de</strong> los haces <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>nte y reflejado<br />
Posición <strong>de</strong> los haces <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>nte y reflejado:<br />
1) Visibilidad <strong>de</strong>l haz reflejado: papel horizontal<br />
2) Mitad <strong>de</strong> la hoja levantada<br />
3) Mitad <strong>de</strong> la hoja bajada<br />
Tabla 1<br />
Angulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α Angulo <strong>de</strong> reflexión<br />
β<br />
60º<br />
20º<br />
45º<br />
75º<br />
0º<br />
De los resultados obtenidos:<br />
1) Compara los valores <strong>de</strong> los ángulos <strong>de</strong> reflexión β <strong>de</strong> la tabla 1 con los ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α. ¿Qué pue<strong>de</strong>s comprobar?<br />
Formula un enunciado.<br />
75
2) ¿Cómo se refleja un haz que inci<strong>de</strong> sobre el espejo sobre la línea 0º (la normal al plano <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia)? ¿Cuáles son, en este<br />
caso, los ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α y <strong>de</strong> reflexión β?<br />
3) ¿En qué posición <strong>de</strong>l papel (2ª parte <strong>de</strong>l experimento) se ve el haz <strong>de</strong> luz reflejado con la mayor claridad y en toda su longitud?<br />
4) ¿Qué conclusión pue<strong>de</strong>s sacar <strong>de</strong> esto, sobre la posición relativa <strong>de</strong> los haces <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>nte y reflejado (y la normal al plano <strong>de</strong><br />
inci<strong>de</strong>ncia)?<br />
5) ¿Por qué se pue<strong>de</strong> ver con un espejo <strong>de</strong>trás <strong>de</strong> una esquina?<br />
6) ¿En qué momento <strong>de</strong>l día y en qué posición <strong>de</strong>l sol se ve brillar la ventana <strong>de</strong> un edificio lejano, y por qué no en otro momento?.<br />
76
Practica 42<br />
IMÁGENES EN EL ESPEJO PLANO<br />
Objetivo:<br />
1) Estudia qué propieda<strong>de</strong>s tienen las imágenes en el espejo plano.<br />
2) Estudia cómo se forma la imagen <strong>de</strong> un objeto en un espejo plano; <strong>de</strong>termina la distancia <strong>de</strong> la imagen al espejo.<br />
Material:<br />
Caja luminosa, halógena, 12V/20W<br />
con 3 diafragmas <strong>de</strong> cierre hermético<br />
con 1 diafragma, 1/2 rendijas<br />
Espejo sobre taco<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Papel blanco, DIN A4<br />
Regla<br />
Goma <strong>de</strong> borrar<br />
Introducción:<br />
La formación <strong>de</strong> imágenes en los espejos es una consecuencia <strong>de</strong> la reflexión <strong>de</strong> los rayos luminosos en la superficie <strong>de</strong>l espejo. La<br />
óptica geométrica explica este familiar fenómeno suponiendo que los rayos luminosos cambian <strong>de</strong> dirección al llegar al espejo<br />
siguiendo las leyes <strong>de</strong> la reflexión.<br />
En la figura 1 pue<strong>de</strong> observarse un haz estrecho <strong>de</strong> rayos luminosos que proce<strong>de</strong>n <strong>de</strong> una fuente puntual S y se refleja en un espejo<br />
plano. Después <strong>de</strong> la reflexión, los rayos divergen exactamente como si procedieran <strong>de</strong> un punto S’ <strong>de</strong>trás <strong>de</strong>l plano <strong>de</strong>l espejo,<br />
como pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>mostrarse utilizando la ley <strong>de</strong> la reflexión para diversos rayos. El punto S’ se <strong>de</strong>nomina la imagen <strong>de</strong>l objeto S.<br />
Cuando estos rayos entran en el ojo, no pue<strong>de</strong> distinguirse <strong>de</strong> los rayos que proce<strong>de</strong>rían <strong>de</strong> una fuente situada en S’ sin que hubiese<br />
espejo. La imagen se <strong>de</strong>nomina imagen virtual <strong>de</strong>bido a que la luz no proce<strong>de</strong> realmente <strong>de</strong> la imagen. La imagen S’ está en la<br />
línea que pasa por el objeto S y es perpendicular al plano <strong>de</strong>l espejo, a una distancia <strong>de</strong>trás <strong>de</strong> dicho plano igual a la distancia a que<br />
el objeto está <strong>de</strong>l mismo. La imagen pue<strong>de</strong> verse siempre que el ojo esté en cualquier lugar <strong>de</strong> la región indicada, <strong>de</strong> modo que una<br />
línea trazada <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la imagen <strong>de</strong>l ojo pasa cortando el espejo. El objeto no necesita estar directamente frente al espejo. Una imagen<br />
pue<strong>de</strong> verse siempre que el objeto no esté <strong>de</strong>trás <strong>de</strong>l espejo.<br />
Figura 1<br />
Si observamos la imagen <strong>de</strong> la palma <strong>de</strong> la mano <strong>de</strong>recha frente a un espejo, vemos que es <strong>de</strong>l mismo tamaño que el objeto, pero no<br />
es la misma que observaría otra persona frente a uno ni la que nosotros veríamos si mirásemos la palma <strong>de</strong> nuestra mano (figura 2).<br />
La imagen <strong>de</strong> una mano <strong>de</strong>recha que da un espejo es una mano izquierda.<br />
Esta inversión <strong>de</strong>recha-izquierda es el resultado <strong>de</strong> una inversión <strong>de</strong> profundidad; es <strong>de</strong>cir, la mano se transforma <strong>de</strong> una mano<br />
<strong>de</strong>recha a otra izquierda porque el espejo ha invertido la palma y el dorso <strong>de</strong> la mano.<br />
77
Figura 2<br />
Para estudiar la imagen <strong>de</strong> un objeto mediante un espejo plano, po<strong>de</strong>mos dibujar por ejemplo una flecha y localizar la imagen <strong>de</strong> la<br />
punta <strong>de</strong> la flecha como se indica en la figura 3. Empleando la ley <strong>de</strong> la reflexión, po<strong>de</strong>mos trazar un rayo <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la punta <strong>de</strong> la<br />
flecha que incida en forma perpendicular al espejo. Este rayo se reflejará sobre sí mismo, por lo que la imagen <strong>de</strong> la punta <strong>de</strong> la<br />
flecha estará sobre su prolongación por <strong>de</strong>trás <strong>de</strong>l espejo. Para encontrar la posición exacta <strong>de</strong> la misma, hacemos incidir otro rayo<br />
con un ángulo θ, y el rayo reflejado formará el mismo ángulo θ. Por lo tanto, en la intersección <strong>de</strong> las prolongaciones <strong>de</strong> ambos<br />
rayos se encontrará la imagen <strong>de</strong> la punta <strong>de</strong> la flecha. Po<strong>de</strong>mos ver que la imagen está a la misma distancia <strong>de</strong>trás <strong>de</strong>l espejo como<br />
el objeto está <strong>de</strong>lante <strong>de</strong> él, y que la imagen es <strong>de</strong>recha y tiene el mismo tamaño que el objeto.<br />
Figura 3<br />
Desarrollo experimental:<br />
Preparación:<br />
1) Divi<strong>de</strong> la hoja <strong>de</strong> papel transversalmente en proporción 1/3 a 2/3 con una raya a lápiz, como en la figura 1.<br />
2) Coloca el espejo sobre la línea a lápiz. La superficie <strong>de</strong>l espejo <strong>de</strong>be estar orientada hacia el bor<strong>de</strong> <strong>de</strong> la mesa (figura 1).<br />
3) Coloca una regla con uno <strong>de</strong> sus lados tocando el espejo.<br />
4) Escribe sobre la superficie ancha <strong>de</strong> la goma la palabra “SAAL” y colócala transversalmente en el otro extremo <strong>de</strong> la regla, con<br />
las letras mirando al espejo (figura 1).<br />
Figura 1<br />
Experimento 1<br />
Propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> las imágenes especulares<br />
1) Observa la imagen especular <strong>de</strong> la regla y <strong>de</strong> la goma escrita; para esto <strong>de</strong>bes mirar al espejo a ras <strong>de</strong> la mesa.<br />
2) Compara la imagen con el original; anota tus comprobaciones en la tabla 1.<br />
Experimento 2<br />
78
Formación <strong>de</strong> la imagen en el espejo plano.<br />
1) Marca en la hoja <strong>de</strong> papel los puntos X, Y y Z y, en ángulo recto por X, el punto G, a las distancias indicadas.<br />
2) Coloca el espejo plano con el bor<strong>de</strong> en la línea vertical, <strong>de</strong> modo que las marcas X, Y y Z se encuentren <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la superficie<br />
<strong>de</strong>l espejo (figura 2).<br />
3) Coloca el diafragma <strong>de</strong> una rendija en la caja luminosa, sobre la parte <strong>de</strong> la lente, y conecta la caja luminosa la fuente <strong>de</strong><br />
alimentación (12V.)<br />
4) Coloca la caja luminosa <strong>de</strong> modo que el haz <strong>de</strong> luz incida primero en el punto G y luego en el punto X (figura 2).<br />
5) Marca con pares <strong>de</strong> cruces el haz <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>nte y el reflejado.<br />
6) Desplaza la caja luminosa con cuidado (no varíes la posición <strong>de</strong>l espejo) hasta que el haz <strong>de</strong> luz estrecho incida sobre los puntos<br />
G e Y; marca <strong>de</strong> nuevo la trayectoria <strong>de</strong> los haces <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>nte y reflejado.<br />
7) Repite el experimento con los puntos G y Z.<br />
8) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación y quita la caja luminosa y el espejo <strong>de</strong>l papel. 9) Une entre sí las marcas correspondientes.<br />
Ten en cuenta que todos los rayos inci<strong>de</strong>ntes pasan por el punto G.<br />
9) Prolonga los rayos <strong>de</strong> luz reflejados más allá <strong>de</strong> la línea vertical (plano <strong>de</strong>l espejo) con líneas discontinuas. ¿Qué compruebas?<br />
Anota tus observaciones.<br />
10) Mi<strong>de</strong> la distancia g <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el punto G hasta la línea vertical (plano <strong>de</strong>l espejo) y anota su valor.<br />
11) Denomina B al punto <strong>de</strong> intersección <strong>de</strong> las prolongaciones y mi<strong>de</strong> la distancia b <strong>de</strong>l plano <strong>de</strong>l espejo hasta el punto B. Anota<br />
<strong>de</strong> nuevo el valor <strong>de</strong> tu medición<br />
Resultados y conclusiones<br />
1) Propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> las imágenes especulares Tabla 1<br />
Comparación <strong>de</strong>l tamaño original<br />
y la imagen<br />
Tamaño<br />
Distancia al plano <strong>de</strong>l espejo<br />
Posición Lateral<br />
Figura 2<br />
2) Formación <strong>de</strong> la imagen en el espejo plano<br />
Resultado <strong>de</strong> la prolongación <strong>de</strong> los rayos <strong>de</strong> la luz reflejados<br />
Distancia <strong>de</strong>l punto G al espejo g= _________cm. (distancia <strong>de</strong>l objeto)<br />
Distancia <strong>de</strong>l punto B al espejo b= _________cm. (distancia <strong>de</strong>l objeto)<br />
Con los resultados obtenidos<br />
Regla Goma <strong>de</strong> borrar<br />
1) ¿Qué propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la imagen <strong>de</strong>l espejo, en comparación con el original, se pue<strong>de</strong>n <strong>de</strong>ducir <strong>de</strong> tus observaciones (tabla 1)?.<br />
2) Compara la distancia g <strong>de</strong>l punto G al espejo (distancia <strong>de</strong>l objeto) con la distancia b <strong>de</strong>l punto B al espejo (distancia <strong>de</strong> la<br />
imagen), y con las que has observado en la primera parte <strong>de</strong>l experimento .Formula un enunciado.<br />
3) Imagínate que mi<strong>de</strong>s 1,60 m y estás <strong>de</strong>lante <strong>de</strong>l espejo <strong>de</strong> un armario. Si te ves <strong>de</strong> la cabeza a los pies, ¿qué longitud mínima<br />
tendrá el espejo? Dibuja un esquema en el que se vea la trayectoria <strong>de</strong> la luz <strong>de</strong>s<strong>de</strong> tu cabeza y tus pies hasta tus ojos.<br />
4) ¿Por qué te ves al pasar por la luna <strong>de</strong> un escaparate?.<br />
5) Di algunas aplicaciones <strong>de</strong> los espejos planos.<br />
79
Práctica 43<br />
REFLEXION EN EL ESPEJO CONCAVO<br />
Objetivo:<br />
Estudiar cómo se refleja la luz en un espejo cóncavo.<br />
Estudiar la trayectoria <strong>de</strong> haces <strong>de</strong> luz característicos, reflejados en un espejo cóncavo.<br />
Material:<br />
Caja luminosa, halógena, 12V/20W<br />
con 3 diafragmas <strong>de</strong> cierre hermético<br />
con 1 diafragma <strong>de</strong> 1/2 rendijas<br />
con 1 diafragma, 3/5 rendijas<br />
Espejo, cóncavo-convexo<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Papel blanco, DIN A4<br />
Compás<br />
Regla<br />
Introducción:<br />
Los espejos curvos se <strong>de</strong>nominan esféricos cuando son una porción <strong>de</strong> una superficie esférica; son parabólicos cuando pertenecen<br />
a un paraboloi<strong>de</strong>. Pue<strong>de</strong>n ser cóncavos cuando la superficie espejada es la interior o convexos cuando la superficie espejada es la<br />
exterior. En la figura 1 se muestra un haz <strong>de</strong> rayos que proce<strong>de</strong> <strong>de</strong> un punto P situado en el eje <strong>de</strong> un espejo esférico cóncavo y que<br />
<strong>de</strong>spués <strong>de</strong> reflejarse en el mismo convergen en el punto P’. Los rayos entonces divergen <strong>de</strong>s<strong>de</strong> este punto como si hubiese un<br />
objeto en el mismo. Esta imagen se <strong>de</strong>nomina imagen real, <strong>de</strong>bido a que la luz realmente emana <strong>de</strong>l punto imagen. Este tipo <strong>de</strong><br />
imágenes pue<strong>de</strong>n observarse por un ojo cualquiera, y pue<strong>de</strong>n plasmarse sobre una película fotográfica situada en dicho punto, a<br />
diferencia <strong>de</strong> las imágenes virtuales que no pue<strong>de</strong>n ser observadas en una pantalla situada en el punto imagen <strong>de</strong>bido a que allí no<br />
hay luz.<br />
Figura 1: Imagen formada por un espejo cóncavo<br />
Cuando observamos la marcha <strong>de</strong> los rayos hacia un espejo cóncavo, notamos que sólo los rayos que inci<strong>de</strong>n en el espejo en los<br />
puntos próximos al eje <strong>de</strong>l mismo, se reflejan pasando por el punto imagen. Estos rayos <strong>de</strong> <strong>de</strong>nominan rayos paraxiales. Cuando<br />
otros rayos no paraxiales convergen en puntos próximos al punto imagen, la imagen aparece borrosa en un efecto <strong>de</strong>nominado<br />
aberración esférica. Este efecto se corrige reduciendo el tamaño <strong>de</strong>l espejo <strong>de</strong> forma <strong>de</strong> no permitir la inci<strong>de</strong>ncia <strong>de</strong> rayos no<br />
paraxiales. Para los espejos esféricos, teniendo en cuenta las leyes <strong>de</strong> reflexión y la geometría elemental, pue<strong>de</strong> establecerse una<br />
sencilla relación entre la distancia <strong>de</strong> la imagen s’, la distancia <strong>de</strong>l objeto s y el radio <strong>de</strong> curvatura r.<br />
Si <strong>de</strong>finimos el foco <strong>de</strong>l espejo como el punto imagen <strong>de</strong> un objeto que se encuentra muy alejado (en el infinito), y a la distancia <strong>de</strong><br />
este punto la llamamos distancia focal, po<strong>de</strong>mos observar que ésta es igual a la mitad <strong>de</strong>l radio. De aquí resulta.<br />
Justamente, el foco es el punto en don<strong>de</strong> resultan enfocados todos los rayos paralelos al eje <strong>de</strong>l espejo (figura 2).<br />
80
Figura 2 a) Foco <strong>de</strong> un espejo cóncavo b) Fotografía <strong>de</strong> rayos paralelos enfocados en un espejo cóncavo<br />
.<br />
Cuando se analiza un espejo esférico convexo, se observa que los rayos reflejados divergen como si proviniesen <strong>de</strong> un punto <strong>de</strong>trás<br />
<strong>de</strong>l espejo; este punto es el foco <strong>de</strong> este espejo, el cual también se sitúa en la mitad <strong>de</strong>l radio (figura 11). Figura 3<br />
Figura 3 a) Foco <strong>de</strong> un espejo convexo b) Fotografía <strong>de</strong> rayos paralelos incidiendo en un espejo convexo.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Atención Cuida que el centro <strong>de</strong> la curvatura interior <strong>de</strong>l espejo cóncavo esté siempre colocado sobre S, y su posición no varíe al<br />
mover la caja luminosa.<br />
Experimento 1<br />
Reflexión en el espejo cóncavo<br />
1) Traza una línea en la hoja <strong>de</strong> papel (“eje óptico”), y marca sobre ella el punto S (vértice). 2) Coloca el diafragma <strong>de</strong> cinco<br />
rendijas en la caja luminosa sobre la parte <strong>de</strong> la lente.<br />
3) Coloca el espejo cóncavo y la caja luminosa según la figura 1.<br />
4) Conecta la caja luminosa a la fuente <strong>de</strong> alimentación (12V—)<br />
5) Desplaza la caja luminosa hasta que el haz central <strong>de</strong> los cinco haces <strong>de</strong> luz estrechos transcurra exactamente a lo largo <strong>de</strong>l eje<br />
óptico (línea a lápiz).<br />
6) Gira el espejo sobre S y observa las trayectorias <strong>de</strong> los haces inci<strong>de</strong>ntes y reflejados. Anota lo que observas.<br />
7) Gira el espejo sobre S hasta que el haz central <strong>de</strong> los cinco haces <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>ntes se refleje sobre sí mismo en el eje óptico.<br />
¿Qué pue<strong>de</strong>s comprobar? Anótalo.<br />
8) Marca el punto <strong>de</strong> intersección <strong>de</strong> los haces <strong>de</strong> luz reflejados con el eje óptico; <strong>de</strong>nomínalo F.<br />
9) Dibuja en el papel el contorno interior <strong>de</strong>l espejo.<br />
10) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación.<br />
11) Duplica con el compás el segmento FS, obteniendo otro punto <strong>de</strong> intersección, M, sobre el eje óptico (figura 2).<br />
81
Experimento 2<br />
Trayectoria <strong>de</strong> los haces característicos <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la reflexión.<br />
Figura 1 Figura 2<br />
1) Coloca otra vez el espejo, con la parte curvada hacia <strong>de</strong>ntro sobre S.<br />
2) Coloca el diafragma <strong>de</strong> una rendija en la caja luminosa sobre la parte <strong>de</strong> la lente. Encien<strong>de</strong> la fuente <strong>de</strong> alimentación (12V-).<br />
3) Comprueba el ajuste <strong>de</strong>l espejo.<br />
4) Desplaza la caja luminosa hasta que el haz <strong>de</strong> luz estrecho transcurra aproximadamente 1 cm. paralelo al eje óptico.<br />
5) Observa el haz <strong>de</strong> luz reflejado. ¿Dón<strong>de</strong> corta al eje óptico? Anota lo que observas en la primera línea <strong>de</strong> la tabla 1.<br />
6) Marca con pares <strong>de</strong> cruces la trayectoria <strong>de</strong> los haces <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>nte y <strong>de</strong>l reflejado.<br />
7) Haz incidir el haz <strong>de</strong> luz sobre el espejo, primero a través <strong>de</strong>l punto M (centro óptico) y luego a través <strong>de</strong>l punto F (foco).<br />
8) Observa en cada caso la trayectoria <strong>de</strong>l haz reflejado; anota lo que observas en la tabla 1, y marca la trayectoria <strong>de</strong> los haces.<br />
9) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación y quita la caja luminosa y el espejo <strong>de</strong>l papel.<br />
10) Une entre sí las marcas <strong>de</strong> cada haz <strong>de</strong> luz, para hacer visible la trayectoria <strong>de</strong> los tres haces característicos antes y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong><br />
la reflexión en el espejo.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Reflexión en el espejo cóncavo:<br />
1) Trayectoria <strong>de</strong> los haces <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>ntes:<br />
2) Trayectoria <strong>de</strong> los haces <strong>de</strong> luz reflejados, con el espejo en posición oblicua:<br />
3) Trayectoria <strong>de</strong> los haces <strong>de</strong> luz reflejados, con el espejo en posición recta:<br />
Trayectoria <strong>de</strong> haces característicos <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la reflexión<br />
Tabla 1<br />
Trayectoria <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>nte Trayectoria <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz reflejado<br />
Paralelo al eje óptico (rayo paralelo)<br />
A través <strong>de</strong>l centro óptico M (rayo <strong>de</strong>l centro óptico)<br />
A través <strong>de</strong>l foco F (rayo focal)<br />
1) ¿Cómo se reflejan en un espejo cóncavo los haces <strong>de</strong> luz que inci<strong>de</strong>n paralelos al eje óptico? Formula un enunciado.<br />
2) Mi<strong>de</strong> la distancia f <strong>de</strong>l punto F (llamado “foco”) hasta el vértice S y anota su valor.<br />
3) Traza un arco con centro en M, <strong>de</strong> radio MS, que corte al eje óptico en S.<br />
Compara este arco con el contorno marcado <strong>de</strong>l espejo cóncavo. ¿Qué conclusiones sacas?<br />
4) ¿Qué relación existe entre la distancia focal <strong>de</strong>l espejo f (segmento FS) y la distancia <strong>de</strong> M al vértice S?<br />
5) Formula tres enunciados, <strong>de</strong> acuerdo con tus observaciones (tabla 1, líneas 1, 2 y 3), que expresen cómo se reflejan en el espejo<br />
cóncavo los tres haces <strong>de</strong> luz característicos.<br />
6. ¿Por qué se refleja sobre sí mismo un rayo <strong>de</strong> luz que inci<strong>de</strong> en un espejo cóncavo a través <strong>de</strong>l centro óptico M?<br />
82
Práctica 44<br />
REFLEXION EN EL ESPEJO CONVEXO<br />
Objetivo:<br />
Estudiar la reflexión <strong>de</strong> la luz en un espejo convexo.<br />
Determinar experimentalmente el foco y la distancia focal.<br />
Estudiar bajo qué ángulo se refleja un haz <strong>de</strong> luz característico en un espejo convexo.<br />
Material:<br />
Caja luminosa, halógena, 12V/20W<br />
con 3 diafragmas <strong>de</strong> cierre hermético<br />
con 1 diafragma, 1/2 rendijas<br />
con 1 diafragma, 3/5 rendijas<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Espejo, cóncavo-convexo<br />
Papel blanco, DIN A4<br />
Regla<br />
Introducción:<br />
Ver introducción practica 43.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Experimento 1<br />
Reflexión en el espejo convexo.<br />
Figura 1<br />
1) Coloca la hoja <strong>de</strong> papel sobre la mesa, y prepárala como se muestra en la figura 1.<br />
2) Marca sobre el eje óptico un punto S y coloca el espejo convexo con el centro <strong>de</strong> la curvatura exterior sobre S.<br />
3) Coloca en la caja luminosa el diafragma <strong>de</strong> cinco rendijas en la parte <strong>de</strong> la lente, y ponla en el bor<strong>de</strong> <strong>de</strong> la hoja <strong>de</strong> papel, a unos<br />
10cm <strong>de</strong>l espejo (figura 1).<br />
4) Conecta la caja luminosa a la fuente <strong>de</strong> alimentación (1 2V-).<br />
5) Desplaza la caja luminosa hasta que el haz central <strong>de</strong> los cinco haces <strong>de</strong> luz estrechos transcurra exactamente a lo largo <strong>de</strong>l eje<br />
óptico (línea a lápiz). Si lo has ajustado cuidadosamente, este haz <strong>de</strong> luz se refleja sobre sí mismo; en otro caso <strong>de</strong>bes girar un poco<br />
el espejo.<br />
6) Traza en el papel, con un lápiz fino, el contorno exterior <strong>de</strong>l espejo, cuidando <strong>de</strong> no moverlo.<br />
7) ¿Qué pue<strong>de</strong>s enunciar sobre la trayectoria <strong>de</strong> los rayos <strong>de</strong> luz exteriores? Anota lo que observas.<br />
8) Marca, siempre con dos cruces, u otras marcas, los haces <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>ntes y reflejados, empleando diferentes colores.<br />
9) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación y quita la caja luminosa y el espejo <strong>de</strong>l papel.<br />
10) Une las marcas <strong>de</strong>l mismo grupo para que se haga visible la trayectoria <strong>de</strong> los haces <strong>de</strong> luz antes y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la reflexión.<br />
10) Prolonga los rayos reflejados con líneas discontinuas, por <strong>de</strong>trás <strong>de</strong>l espejo.<br />
Llamamos F al punto <strong>de</strong> intersección <strong>de</strong> las prolongaciones. ¿Dón<strong>de</strong> se encuentra este punto? Anótalo.<br />
11) Mi<strong>de</strong> la distancia al punto F <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el vértice S y anota su valor.<br />
Experimento 2<br />
Reflexión <strong>de</strong> un haz <strong>de</strong> luz en un espejo convexo<br />
83
Figura 2<br />
1) Prepara otra hoja <strong>de</strong> papel <strong>de</strong> modo similar a la <strong>de</strong> la primera parte <strong>de</strong>l experimento, como se muestra en la figura 2.<br />
2) Coloca el espejo convexo <strong>de</strong> nuevo con el centro <strong>de</strong> la curvatura exterior sobre S.<br />
3) Coloca en la caja luminosa el diafragma <strong>de</strong> una rendija sobre el lado <strong>de</strong> la lente.<br />
4) Conecta <strong>de</strong> nuevo la fuente <strong>de</strong> alimentación (12V-.). Haz incidir el haz <strong>de</strong> luz estrecho oblicuamente en el espejo convexo,<br />
exactamente en el punto S (figura 2).<br />
5) Observa el haz <strong>de</strong> luz reflejado en el espejo convexo; anota tus observaciones y marca, siempre con dos cruces, la trayectoria <strong>de</strong><br />
los haces <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>nte y reflejado.<br />
6) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación y quita la caja luminosa y el espejo <strong>de</strong>l papel.<br />
7) Une las marcas <strong>de</strong>l mismo grupo, <strong>de</strong> modo que se haga visible la trayectoria <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz antes y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la reflexión.<br />
8) Mi<strong>de</strong> el ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia y el <strong>de</strong> reflexión <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz. Anota sus valores.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Reflexión en el espejo convexo<br />
1) Trayectoria <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la reflexión <strong>de</strong> los haces que inci<strong>de</strong>n sobre el espejo paralelos al eje óptico:<br />
2) Posición <strong>de</strong>l punto F (foco):<br />
Distancia FS (distancia focal f): FS = _____cm.<br />
Reflexión <strong>de</strong> un haz <strong>de</strong> luz en un espejo convexo.<br />
1) Trayectoria <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz que inci<strong>de</strong> oblicuamente en el punto S y se refleja en el espejo:<br />
2) Ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia y <strong>de</strong> reflexión <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz que inci<strong>de</strong> oblicuamente:<br />
α=_____º<br />
β=_____º<br />
1) Describe, <strong>de</strong> acuerdo con tus observaciones <strong>de</strong> la primera parte <strong>de</strong>l experimento, cómo se reflejan en un espejo convexo los<br />
haces <strong>de</strong> luz que inci<strong>de</strong>n paralelos al eje óptico.<br />
2) ¿Por qué se refleja sobre sí mismo un haz <strong>de</strong> luz que inci<strong>de</strong> a lo largo <strong>de</strong>l eje óptico?.<br />
3) Mira los resultados <strong>de</strong> la primera parte <strong>de</strong>l experimento: ¿<strong>de</strong> dón<strong>de</strong> parecen provenir los rayos <strong>de</strong> luz que inci<strong>de</strong>n paralelos sobre<br />
el espejo, <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la reflexión?.<br />
4) Duplica con el compás el segmento FS (primera parte <strong>de</strong>l experimento) sobre el eje óptico. Obtienes otro punto <strong>de</strong> intersección<br />
M. Traza un arco con centro en M y radio MS, y compáralo con el contorno <strong>de</strong>l espejo convexo. ¿Qué pue<strong>de</strong>s constatar?.<br />
5) De acuerdo con los valores medidos <strong>de</strong> los ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia y reflexión (segunda parte <strong>de</strong>l experimento), razona la<br />
trayectoria <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la reflexión <strong>de</strong>l haz que inci<strong>de</strong> oblicuamente en S.<br />
6) Menciona ejemplos <strong>de</strong> espejos convexos.<br />
84
Práctica 45<br />
REFRACCION AL PASAR <strong>DE</strong>L AIRE AL VIDRIO<br />
Objetivo:<br />
Estudiar el comportamiento <strong>de</strong> un haz <strong>de</strong> luz al pasar <strong>de</strong> aire a vidrio.<br />
Medir el ángulo <strong>de</strong> refracción en función <strong>de</strong>l ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia, al pasar la luz <strong>de</strong> aire a vidrio.<br />
Material:<br />
Caja luminosa, halógena, 12V/20W<br />
con 3 diafragmas <strong>de</strong> cierre hermético<br />
con 1 diafragma,<br />
1/2 rendijas<br />
Cuerpo óptico, semicircular<br />
Disco óptico<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Introducción:<br />
Se <strong>de</strong>nomina refracción luminosa al cambio que experimenta la dirección <strong>de</strong> propagación <strong>de</strong> la luz cuando atraviesa oblicuamente<br />
la superficie <strong>de</strong> separación <strong>de</strong> dos medios transparentes <strong>de</strong> distinta naturaleza. Las lentes, las máquinas fotográficas, el ojo humano<br />
y, en general, la mayor parte <strong>de</strong> los instrumentos ópticos basan su funcionamiento en este fenómeno óptico.<br />
El fenómeno <strong>de</strong> la refracción va, en general, acompañado <strong>de</strong> una reflexión, más o menos débil, producida en la superficie que<br />
limita los dos medios transparentes. El haz, al llegar a esa superficie límite, en parte se refleja y en parte se refracta, lo cual implica<br />
que los haces reflejados y refractados tendrán menos intensidad luminosa que el rayo inci<strong>de</strong>nte. Dicho reparto <strong>de</strong> intensidad se<br />
produce en una proporción que <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> las características <strong>de</strong> los medios en contacto y <strong>de</strong>l ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia respecto <strong>de</strong> la<br />
superficie límite. A pesar <strong>de</strong> esta circunstancia, es posible fijar la atención únicamente en el fenómeno <strong>de</strong> la refracción para<br />
analizar sus características.<br />
Las leyes <strong>de</strong> la refracción<br />
Al igual que las leyes <strong>de</strong> la reflexión, las <strong>de</strong> la refracción poseen un fundamento experimental. Junto con los conceptos <strong>de</strong> rayo<br />
inci<strong>de</strong>nte, normal y ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia, es necesario consi<strong>de</strong>rar ahora el rayo refractado y el ángulo <strong>de</strong> refracción o ángulo que<br />
forma la normal y el rayo refractado.<br />
Sean 1 y 2 dos medios transparentes en contacto que son atravesados por un rayo luminoso en el sentido <strong>de</strong> 1 a 2 y e1 y e2 los<br />
ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia y refracción respectivamente. Las leyes que rigen el fenómeno <strong>de</strong> la refracción pue<strong>de</strong>n, entonces, expresarse<br />
en la forma:<br />
1.ª Ley. El rayo inci<strong>de</strong>nte, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano.<br />
2.ª Ley. (Ley <strong>de</strong> Snell) Los senos <strong>de</strong> los ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia e1 y <strong>de</strong> refracción e2 son directamente proporcionales a las<br />
velocida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> propagación v1 y v2 <strong>de</strong> la luz en los respectivos medios.<br />
Recordando que índice <strong>de</strong> refracción y velocidad son inversamente proporcionales la segunda ley <strong>de</strong> la refracción se pue<strong>de</strong> escribir<br />
en función <strong>de</strong> los índices <strong>de</strong> refracción en la forma:<br />
O en otros términos:<br />
n1 · sen e1 = n2 · sen e2 = cte (14.5)<br />
Esto indica que el producto <strong>de</strong>l seno <strong>de</strong>l ángulo e por el índice <strong>de</strong> refracción <strong>de</strong>l medio correspondiente es una cantidad constante<br />
y, por tanto, los valores <strong>de</strong> n y sen e para un mismo medio son inversamente proporcionales.<br />
Debido a que la función trigonométrica seno es creciente para ángulos menores <strong>de</strong> 90º, <strong>de</strong> la última ecuación se <strong>de</strong>duce que si el<br />
índice <strong>de</strong> refracción ni <strong>de</strong>l primer medio es mayor que el <strong>de</strong>l segundo n2, el ángulo <strong>de</strong> refracción e2 es mayor que el <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia<br />
e1 y, por tanto, el rayo refractado se aleja <strong>de</strong> la normal.<br />
85
Por el contrario, si el índice <strong>de</strong> refracción n1 <strong>de</strong>l primer medio es menor que el <strong>de</strong>l segundo n2, el ángulo <strong>de</strong> refracción e2 es menor<br />
que el <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia el y el rayo refractado se acerca a la normal.<br />
Estas reglas prácticas que se <strong>de</strong>ducen <strong>de</strong> la ecuación son <strong>de</strong> mucha utilidad en la representación <strong>de</strong> la marcha <strong>de</strong> los rayos,<br />
operación imprescindible en el estudio <strong>de</strong> cualquier fenómeno óptico <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la perspectiva <strong>de</strong> la óptica geométrica.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Atención<br />
Cuida que en todos los experimentos parciales, el haz <strong>de</strong> luz <strong>de</strong> la caja luminosa incida siempre sobre el cuerpo exactamente en el<br />
centro <strong>de</strong>l disco óptico y que el cuerpo óptico no varíe su posición al mover la caja.<br />
Montaje<br />
Figura 1: 1-ajuste, 2- primera posición<br />
1) Coloca el disco óptico <strong>de</strong>lante <strong>de</strong> ti sobre la mesa y pon el cuerpo óptico semicircular (el lado mate hacia abajo), exactamente<br />
sobre la línea vertical, entre las marcas, como se muestra en la figura 1.<br />
2) Coloca el diafragma <strong>de</strong> una rendija en la caja luminosa sobre la parte <strong>de</strong> la lente, y ponla aproximadamente a 1 cm. <strong>de</strong>l disco<br />
óptico.<br />
Experimento 1<br />
Comportamiento <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho en la superficie <strong>de</strong> separación aire/vidrio<br />
1) Conecta la caja luminosa a la fuente <strong>de</strong> alimentación (12V).<br />
2) Desplaza la caja luminosa hasta que el haz <strong>de</strong> luz estrecho vaya exactamente sobre el eje óptico (línea <strong>de</strong> 0°, sobre la “normal al<br />
plano <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia”) (figura 1- ajuste).<br />
3) Si la posición <strong>de</strong>l cuerpo óptico y la caja luminosa es correcta, el haz <strong>de</strong> luz estrecho continúa discurriendo sobre el eje óptico<br />
<strong>de</strong>spués <strong>de</strong> su paso a través <strong>de</strong>l vidrio.<br />
4) Desplaza la caja luminosa hasta que la luz incida sobre el cuerpo óptico con un ángulo <strong>de</strong> 40° (con respecto a la normal al plano<br />
<strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia) (figura 1: 2 - primera posición).<br />
5) Observa atentamente el comportamiento <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho al atravesar la superficie <strong>de</strong> separación aire/vidrio; anota lo que<br />
observas.<br />
6) ¿Cómo se comporta la luz al salir <strong>de</strong>l cuerpo <strong>de</strong> vidrio (en la superficie <strong>de</strong> separa vidrio/aire)? Anota lo que observas.<br />
7) Compara el ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α con el ángulo entre el haz <strong>de</strong> luz saliente (refractado) y el eje óptico (ángulo <strong>de</strong> refracción β).<br />
Anota <strong>de</strong> nuevo lo que compruebes.<br />
Experimento 2<br />
Determinación <strong>de</strong>l ángulo <strong>de</strong> refracción en función <strong>de</strong>l ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α<br />
El montaje es igual que en la primera parte <strong>de</strong>l experimento (figura 1).<br />
1) Comprueba la posición <strong>de</strong>l cuerpo óptico conforme al método <strong>de</strong>scrito en la primera parte <strong>de</strong>l experimento (inci<strong>de</strong>ncia y salida<br />
<strong>de</strong> la luz exactamente a lo largo <strong>de</strong>l eje óptico).<br />
2) Desplaza la caja luminosa hasta que el haz <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>nte forme exactamente un ángulo <strong>de</strong> 10° con la normal al plano <strong>de</strong><br />
inci<strong>de</strong>ncia (línea 0°).<br />
3) Lee el correspondiente ángulo <strong>de</strong> refracción β, y anota su valor en la tabla 1. Este es el ángulo entre el haz refractado y la normal<br />
86
al plano <strong>de</strong> refracción (eje óptico).<br />
4) Repite este procedimiento para cada uno <strong>de</strong> los ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α <strong>de</strong> la tabla 1, anotando siempre los ángulos <strong>de</strong><br />
refracción β correspondientes.<br />
5) Elige tú mismo otros tres ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α y mi<strong>de</strong> los ángulos <strong>de</strong> refracción β. Anota los pares <strong>de</strong> ángulos igualmente en<br />
la tabla 1.<br />
6) Haz incidir, finalmente, la luz bajo el ángulo <strong>de</strong> 0°. ¿Cuál es ahora el ángulo <strong>de</strong> refracción β? Anota su valor.<br />
7) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Comportamiento <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho en la superficie <strong>de</strong> separación aire/vidrio<br />
1) Comportamiento <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho al atravesar oblicuamente la superficie <strong>de</strong> separación aire/vidrio:<br />
2) Comportamiento <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho al salir <strong>de</strong>l cuerpo óptico:<br />
3) Comparación <strong>de</strong> los ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia y refracción.<br />
Determinar el ángulo <strong>de</strong> refracción β en función <strong>de</strong>l ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α.<br />
Tabla 1<br />
Angulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia Angulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia β<br />
α<br />
10º<br />
30º<br />
45º<br />
60º<br />
75º<br />
0º<br />
Con los resultados obtenidos<br />
1) Describe, <strong>de</strong> acuerdo con tus observaciones, cómo se comporta el haz <strong>de</strong> luz estrecho al atravesar oblicuamente la superficie <strong>de</strong><br />
separación aire/vidrio.<br />
2) Compara entre sí los ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α y los <strong>de</strong> refracción β correspondientes, <strong>de</strong> la tabla 1. Formula el resultado con tus<br />
propias palabras.<br />
3) ¿A qué resultado te conduce la medición con un ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia <strong>de</strong> 0°? Intenta razonar el resultado.<br />
4) Intenta Formular, en base a tus medidas y a las condiciones <strong>de</strong>l experimento, una ley para el paso <strong>de</strong> la luz a través <strong>de</strong> la<br />
superficie <strong>de</strong> separación aire/vidrio.<br />
5) ¿Por qué no se refracta <strong>de</strong> nuevo el haz <strong>de</strong> luz al salir <strong>de</strong>l cuerpo óptico semicircular?<br />
87
Práctica 46<br />
<strong>DE</strong>TERMINACION <strong>DE</strong>L INDICE <strong>DE</strong> REFRACCION <strong>DE</strong>L VIDRIO<br />
Objetivo:<br />
Determinar el índice <strong>de</strong> refracción <strong>de</strong>l vidrio.<br />
Material:<br />
Caja luminosa, halógena, 12V/20W<br />
con 3 diafragmas <strong>de</strong> cierre hermético<br />
con 1 diafragma, 1/2 rendijas<br />
Cuerpo óptico, semicircular<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Papel blanco, DIN A4<br />
Compás<br />
Regla<br />
Transportador<br />
Introducción:<br />
Vea introducción práctica 43.<br />
El índice <strong>de</strong> refracción (también llamado índice refractivo) es siempre mayor que la unidad. El índice <strong>de</strong> refracción <strong>de</strong> la mayor<br />
parte <strong>de</strong> los vidrios comunes utilizados en instrumentos ópticos se encuentra entre 1.46 y 1.96. Existen muy pocas sustancias<br />
cuyos índices sean superiores a 1.96; el diamante es una <strong>de</strong> ellas, con un índice <strong>de</strong> refracción <strong>de</strong> 2.42.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Atención<br />
Cuida que el haz <strong>de</strong> luz <strong>de</strong> la caja luminosa incida sobre el cuerpo óptico (figura 1) exactamente en el punto don<strong>de</strong> se cortan las<br />
rectas (“pie <strong>de</strong> la normal”), y que el cuerpo óptico no varíe su posición al mover la caja.<br />
Montaje<br />
1) Coloca la hoja <strong>de</strong> papel transversalmente <strong>de</strong>lante <strong>de</strong> ti sobre la mesa y prepárala como se indica en la figura 1. El ángulo <strong>de</strong><br />
intersección <strong>de</strong> ambas rectas <strong>de</strong>be ser exactamente 90º. Traza <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el punto <strong>de</strong> intersección <strong>de</strong> las rectas ángulos <strong>de</strong> 15°, 30°,<br />
45° 60° y 75° (figura 1).<br />
2) Coloca el cuerpo óptico semicircular con la cara plana exactamente en la vertical <strong>de</strong> las perpendiculares, la más corta. La<br />
superficie mate sobre el papel.<br />
3) Coloca el diafragma <strong>de</strong> una rendija en la caja luminosa, sobre la parte <strong>de</strong> la lente, y ponla a unos 10 cm. frente a la cara plana <strong>de</strong>l<br />
cuerpo óptico (figura 1).<br />
Experimento<br />
1) Conecta la caja luminosa a la fuente <strong>de</strong> alimentación (12V).<br />
2) Desplaza la caja (figura 1: 1-ajuste) hasta que el haz <strong>de</strong> luz estrecho transcurra exactamente sobre el eje óptico (línea 0°, normal<br />
al plano <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia).<br />
3) Desplaza el cuerpo óptico semicircular con cuidado hasta que el haz <strong>de</strong> luz estrecho continúe discurriendo sobre el eje óptico<br />
<strong>de</strong>spués <strong>de</strong> su paso a través <strong>de</strong>l vidrio; marca cuidadosamente, con una línea fina a lápiz, el contorno <strong>de</strong>l cuerpo óptico.<br />
4) Desplaza la caja luminosa con cuidado (figura 1 : 2 - primera posición) hasta que el haz <strong>de</strong> luz incida sobre el cuerpo óptico bajo<br />
un ángulo <strong>de</strong> 15° (a lo largo <strong>de</strong> una <strong>de</strong> las líneas auxiliares trazadas anteriormente).<br />
5) Observa la trayectoria <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz refractado; compara el ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α con el ángulo entre el haz <strong>de</strong> luz refractado y<br />
la normal al plano <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia (ángulo <strong>de</strong> refracción β).<br />
¿Qué pue<strong>de</strong>s comprobar? Anota lo que observas.<br />
6) Marca con dos cruces la trayectoria <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz refractado, y para simplificar el estudio posterior, con una cruz el haz <strong>de</strong> luz<br />
inci<strong>de</strong>nte.<br />
7) Repite este procedimiento con los otros ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α dados. Marca, siempre dos veces, la trayectoria <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz<br />
refractado y una vez el haz <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>nte (utilizando marcas o colores distintos).<br />
8) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación y quita la caja luminosa y el cuerpo óptico <strong>de</strong>l papel.<br />
9) Une las marcas que se correspon<strong>de</strong>n, entre sí y con el punto <strong>de</strong> intersección <strong>de</strong> las rectas (pie <strong>de</strong> la normal), <strong>de</strong> modo que se haga<br />
88
visible la trayectoria <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> los haces antes y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> su refracción en el cuerpo óptico.<br />
10) Mi<strong>de</strong> los ángulos <strong>de</strong> refracción β y anota su valor en la tabla 1, junto al ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α correspondiente.<br />
Figura 1:1 –ajuste, 2 –primera posición<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1) Comparación <strong>de</strong>l ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α y el ángulo <strong>de</strong> refracción β<br />
Con los resultados obtenidos:<br />
Angulo <strong>de</strong><br />
inci<strong>de</strong>ncia α<br />
Angulo <strong>de</strong><br />
refracción β<br />
Tabla 1<br />
a/cm. b/cm. n=a/b<br />
1) Compara el ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α con el ángulo <strong>de</strong> refracción correspondiente β.<br />
¿Qué conclusión pue<strong>de</strong>s sacar? Formula un enunciado.<br />
2.) Traza un círculo <strong>de</strong> radio 5 cm. y centro en el punto <strong>de</strong> intersección <strong>de</strong> los ejes. Mi<strong>de</strong> las semicuerdas a y b (figura 2)<br />
correspondientes a los ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α y <strong>de</strong> refracción β. Anota los valores a la tabla 1.<br />
3) Calcula el cociente n = a/b (índice <strong>de</strong> refracción) <strong>de</strong> todos los ángulos α, y anota los valores en la tabla 1. Compara los distintos<br />
valores <strong>de</strong> n entre sí. ¿A qué conclusión llegas?<br />
4) Calcula el valor medio <strong>de</strong> n.<br />
5) Piensa cuáles son los errores <strong>de</strong> medición que influyen sobre el resultado <strong>de</strong>l índice <strong>de</strong> refracción n.<br />
Figura 2<br />
Ejercicio complementario<br />
En la tabla 2 se da el índice <strong>de</strong> refracción <strong>de</strong> diversas clases <strong>de</strong> vidrio; compara con el valor que has obtenido <strong>de</strong> n.<br />
Piensa qué enunciado es posible, conociendo <strong>de</strong>l índice <strong>de</strong> refracción, sobre la refracción <strong>de</strong> la luz al pasar <strong>de</strong> aire a vidrio.<br />
Tabla 1<br />
Paso <strong>de</strong> la luz <strong>de</strong> aire a Índice <strong>de</strong> refracción n<br />
Cristal <strong>de</strong> cuarzo 1.46<br />
Plexiglás 1.50<br />
Vidrio crown 1.53<br />
Vi<strong>de</strong>o flint 161<br />
89
Práctica 47<br />
REFRACCIÓN AL PASAR <strong>DE</strong> AIRE A AGUA<br />
Objetivo:<br />
Estudiar el comportamiento <strong>de</strong> un haz <strong>de</strong> luz estrecho al pasar la luz <strong>de</strong> aire a agua.<br />
Medir el ángulo <strong>de</strong> refracción en función <strong>de</strong>l ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia, al pasar la luz <strong>de</strong> aire a agua.<br />
Material:<br />
Caja luminosa, halógena, 12V/20W<br />
con 3 diafragmas <strong>de</strong> cierre hermético<br />
con 1 diafragma, 1/2 rendijas<br />
Cubeta, en doble semicírculo<br />
Disco óptico<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Introducción:<br />
Ver introducción práctica 43.<br />
Cuando un haz <strong>de</strong> luz pasa <strong>de</strong> un medio como aire a agua, se <strong>de</strong>svía acercándose a la normal porque el índice <strong>de</strong> refracción <strong>de</strong>l<br />
agua es mayor que el <strong>de</strong>l aire. En el caso contrario, es <strong>de</strong>cir, si pasa <strong>de</strong> agua a aire, se aleja <strong>de</strong> la normal. En la figura 1, el haz se<br />
acerca a la normal al pasar <strong>de</strong>l medio 1 al 2, por lo tanto po<strong>de</strong>mos afirmar que n > n . El fenómeno <strong>de</strong> refracción <strong>de</strong> un rayo<br />
2 1<br />
luminoso es la consecuencia <strong>de</strong>l cambio en la rapi<strong>de</strong>z <strong>de</strong> la luz en los diferentes medios transparentes por los cuales viaja el rayo.<br />
Figura 1<br />
Desarrollo experimental:<br />
Atención<br />
Cuida en todos los pasos <strong>de</strong>l experimento que el haz <strong>de</strong> luz estrecho <strong>de</strong> la caja luminosa (figura 1) vaya siempre exactamente al<br />
centro <strong>de</strong>l disco óptico (“pie <strong>de</strong> la normal”), y que la cubeta no varíe su posición al mover la caja.<br />
Montaje<br />
1) Coloca el disco óptico <strong>de</strong>lante <strong>de</strong> ti sobre la mesa y pon la cubeta exactamente entre las marcas, sobre el cruce <strong>de</strong> las<br />
perpendiculares, como se indica en la figura 1.<br />
La pared interior <strong>de</strong> la cubeta <strong>de</strong>be coincidir con la línea vertical.<br />
2) Coloca el diafragma <strong>de</strong> una rendija en la caja luminosa, sobre la parte <strong>de</strong> la lente, y ponla aproximadamente a 1 cm. <strong>de</strong>l disco<br />
óptico.<br />
3) Pon, con cuidado, en la mitad <strong>de</strong> la cubeta más alejada <strong>de</strong> la caja luminosa unos 20 ml <strong>de</strong> agua.<br />
Experimento 1<br />
Comportamiento <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho en la superficie <strong>de</strong> separación aire-agua.<br />
1) Conecta la caja luminosa a la fuente <strong>de</strong> alimentación (12V).<br />
2) Desplaza la caja luminosa (figura 1: 1 -ajuste) hasta que el haz <strong>de</strong> luz estrecho transcurra exactamente sobre el eje óptico (línea<br />
0º -normal al plano <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia).<br />
3) Cuando la cubeta y la caja estén en la posición correcta, el haz <strong>de</strong> luz estrecho continuará discurriendo sobre el eje óptico<br />
<strong>de</strong>spués <strong>de</strong> atravesar el agua.<br />
4) Desplaza la caja luminosa con cuidado (figura 1 : 2 -primera posición) hasta que el haz <strong>de</strong> luz incida sobre la cubeta bajo un<br />
ángulo <strong>de</strong> 40º (con respecto a la normal al plano <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia).<br />
90
5) Describe el comportamiento <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho al atravesar la superficie <strong>de</strong> separación aire-agua.<br />
6) Compara el ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α con el ángulo entre el haz <strong>de</strong> luz saliente (refractado) y el eje óptico (ángulo <strong>de</strong> refracción β).<br />
Figura 1: 1-ajuste, 2-primera posición<br />
Experimento 2<br />
Determinar el ángulo <strong>de</strong> refracción β en función <strong>de</strong>l ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α<br />
1) Desplaza la caja luminosa hasta que el haz <strong>de</strong> luz incida formando exactamente un ángulo <strong>de</strong> 10º con la normal al plano <strong>de</strong><br />
inci<strong>de</strong>ncia (línea 0°).<br />
2) Lee el ángulo <strong>de</strong> refracción β y anota su valor en la tabla 1.<br />
3) Repite este procedimiento con los otros ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α dados en la tabla 1.<br />
4) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Comportamiento <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho en la superficie <strong>de</strong> separación aire-agua.<br />
1) Comportamiento <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho al incidir oblicuamente sobre el agua:<br />
2) Comparación <strong>de</strong>l ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia con el ángulo <strong>de</strong> refracción.<br />
Determinar el ángulo <strong>de</strong> refracción β en función <strong>de</strong>l ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α<br />
De acuerdo con lo que has observado<br />
Tabla 1<br />
Angulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α Angulo <strong>de</strong> refracción β<br />
10º<br />
10º<br />
30º<br />
45º<br />
60º<br />
75º<br />
0º<br />
1) Describe el comportamiento <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho cuando inci<strong>de</strong> oblicuamente sobre la superficie <strong>de</strong> separación aire-agua.<br />
2) ¿Por qué las imágenes reflejadas en gran<strong>de</strong>s superficies <strong>de</strong> agua son más oscuras que el original?.<br />
3) Compara los ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α con sus correspondientes <strong>de</strong> refracción β <strong>de</strong> la tabla 1. Formula el resultado.<br />
4) ¿Qué resultado da la medición con un ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia <strong>de</strong> 0°?<br />
Intenta razonar el resultado.<br />
5) Sobre la base <strong>de</strong>l resultado <strong>de</strong> las mediciones y <strong>de</strong> las condiciones <strong>de</strong>l experimento, intenta formular una ley general sobre el<br />
paso <strong>de</strong> la luz a través <strong>de</strong> una superficie <strong>de</strong> separación aire-agua.<br />
91
Práctica 48<br />
REFRACCION EN LA SUPERFICIE <strong>DE</strong> SEPARACIÓN <strong>DE</strong> DOS LIQUIDOS<br />
Objetivo:<br />
Medir el ángulo <strong>de</strong> refracción en función <strong>de</strong>l ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia, al pasar la luz <strong>de</strong> aire a agua y <strong>de</strong> aire a glicerina.<br />
Medir el ángulo <strong>de</strong> refracción en función <strong>de</strong>l ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia, al pasar la luz <strong>de</strong> agua a glicerina.<br />
Material<br />
Caja luminosa, halógena, 12V/20W<br />
con 3 diafragmas <strong>de</strong> cierre hermético<br />
con 1 diafragma, 1/2 rendijas<br />
Cubeta, en doble semicírculos<br />
Disco óptico<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Glicerina<br />
Introducción:<br />
Ver introducción practica 43.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Atención<br />
Cuida en todos los pasos <strong>de</strong>l experimento, que el haz <strong>de</strong> luz estrecho <strong>de</strong> la caja luminosa (figura 1) vaya siempre exactamente al<br />
centro <strong>de</strong>l disco óptico (“pie <strong>de</strong> la normal”), y que la cubeta no varíe su posición al mover la caja.<br />
Montaje<br />
1) Coloca el disco óptico <strong>de</strong>lante <strong>de</strong> ti sobre la mesa y pon la cubeta exactamente entre las marcas, sobre el cruce <strong>de</strong> las<br />
perpendiculares, como se indica en la figura 1.<br />
La pared interior <strong>de</strong> la cubeta <strong>de</strong>be estar en ángulo recto con el eje óptico, es <strong>de</strong>cir, <strong>de</strong>be coincidir con la línea vertical.<br />
2) Coloca el diafragma <strong>de</strong> una rendija en la caja luminosa, sobre la parte <strong>de</strong> la lente, y ponla aproximadamente a 1 cm. <strong>de</strong>l disco<br />
óptico.<br />
Figura 1: 1 –ajuste, 2-primera posición<br />
Experimento 1<br />
Paso <strong>de</strong> la luz <strong>de</strong> aire a líquido.<br />
1) Pon, con cuidado, en la mitad <strong>de</strong> la cubeta más alejada <strong>de</strong> la caja luminosa unos 20 ml <strong>de</strong> agua.<br />
2) Conecta la caja luminosa a la fuente <strong>de</strong> alimentación (1 2V).<br />
3) Desplaza la caja luminosa (figura 1: 1 - ajuste) hasta que el haz <strong>de</strong> luz estrecho transcurra exactamente sobre el eje óptico (línea<br />
0° - normal al plano <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia)<br />
4) Cuando la cubeta y la caja estén en la posición correcta, el haz <strong>de</strong> luz estrecho continuará discurriendo sobre el eje óptico<br />
<strong>de</strong>spués <strong>de</strong> atravesar el agua.<br />
5) Desplaza la caja luminosa con cuidado (figura 1 : 2 - primera posición) hasta que el haz <strong>de</strong> luz incida sobre la cubeta bajo un<br />
ángulo <strong>de</strong> 30º (con respecto a la normal al plano <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia).<br />
6) Lee el ángulo <strong>de</strong> refracción β y anota su valor en la tabla 1.<br />
7) Repite este procedimiento con ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia a <strong>de</strong> 45º y 60°, y anota los correspondientes ángulos <strong>de</strong> refracción β en la<br />
tabla 1.<br />
8) Vacía el agua <strong>de</strong> la cubeta y sécala bien. Pon en lugar <strong>de</strong>l agua unos 20 ml <strong>de</strong> glicerina.<br />
9) Repite el experimento con la glicerina, y anota los resultados en la tabla 1.<br />
Experimento 2<br />
Paso <strong>de</strong> la luz <strong>de</strong> agua a glicerina.<br />
92
1) Una mitad <strong>de</strong> la cubeta tiene glicerina. Pon en la otra mitad unos 20 ml <strong>de</strong> agua. No mezcles los líquidos.<br />
2) Coloca la cubeta <strong>de</strong> manera que la luz <strong>de</strong> la caja luminosa incida primero sobre el agua.<br />
3) Ajusta la posición <strong>de</strong> la cubeta como en la primera parte <strong>de</strong>l experimento (figura 1: 1 - ajuste).<br />
4) Haz incidir la luz con los ángulos α dados en la tabla 2, y anota los ángulos <strong>de</strong> refracción β.<br />
5) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Paso <strong>de</strong> la luz <strong>de</strong> aire a líquido.<br />
Angulo <strong>de</strong><br />
Tabla 1<br />
Angulo <strong>de</strong> refracción β<br />
inci<strong>de</strong>ncia α<br />
30º<br />
45º<br />
60º<br />
Agua Glicerina<br />
Paso <strong>de</strong> la luz <strong>de</strong> agua a glicerina.<br />
Tabla 2<br />
Angulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α en agua Angulo <strong>de</strong> refracción β en<br />
glicerina<br />
30º<br />
45º<br />
60º<br />
Con los resultados obtenidos:<br />
1) Compara los ángulos α y los correspondientes ángulos <strong>de</strong> refracción β <strong>de</strong> la tabla 1. ¿En cuál <strong>de</strong> los dos pasos se refracta más la<br />
luz?.<br />
2) Or<strong>de</strong>na las tres sustancias agua, aire y glicerina, según su <strong>de</strong>nsidad óptica.<br />
3) Compara los ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α con sus correspondientes <strong>de</strong> refracción β <strong>de</strong> la tabla 2.<br />
¿Cómo se comportan los haces <strong>de</strong> luz estrechos al incidir oblicuamente sobre la superficie <strong>de</strong> separación aire- glicerina?.<br />
4) Intenta explicar el comportamiento observado <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho en la superficie <strong>de</strong> separación aire-glicerina.<br />
Ejercicio complementario<br />
Calcula con los valores <strong>de</strong> la tabla 1 los índices <strong>de</strong> refracción <strong>de</strong>l agua y la glicerina:<br />
1) Traza, como en la figura 2, un círculo con un radio <strong>de</strong> 5 cm. Dibuja todos los ángulos α y β <strong>de</strong> la tabla 1. Mi<strong>de</strong> las semicuerdas<br />
a y b correspondientes.<br />
2) Anota los valores en la tabla 3.<br />
3) Calcuta todos los cocientes n = a/b, y las medias <strong>de</strong> nw y nGI (índices <strong>de</strong> refracción).<br />
4) Calcula igualmente el índice <strong>de</strong> refracción relativo nw / nGI <strong>de</strong>l paso agua-glicerina (tabla 4).<br />
5) Intenta encontrar una relación entre los índices <strong>de</strong> refracción nw y nGI y el índice <strong>de</strong> refracción relativo nw / nGI.<br />
Figura 2<br />
93
Tabla 3<br />
Aire Agua Glicerina<br />
α a/cm. β b/cm nw β b/cm. nGl<br />
30º<br />
45º<br />
60º<br />
Media nw= nGl=<br />
Tabla 4<br />
Agua Glicerina<br />
α a/cm β b/cm nw<br />
30º<br />
45º<br />
60º<br />
Media nw / nGI=<br />
94
Práctica 49<br />
REFRACCION AL PASAR <strong>DE</strong>L VIDRIO AL AIRE<br />
Objetivo:<br />
Estudiar el comportamiento <strong>de</strong> un haz estrecho al pasar la luz <strong>de</strong> cristal a aire, y medir el ángulo <strong>de</strong> refracción en función <strong>de</strong>l<br />
ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia.<br />
Material:<br />
Caja luminosa, halógena, 12V/20W<br />
con 3 diafragmas <strong>de</strong> cierre hermético<br />
con 1 diafragma, 1/2 rendijas<br />
Cuerpo óptico, semicircular<br />
Disco óptico<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Introducción:<br />
Ver introducción practica 43.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Atención<br />
Cuida que en todos los pasos <strong>de</strong>l experimento (figura 1) el haz <strong>de</strong> luz estrecho <strong>de</strong> la caja luminosa pase siempre exactamente en<br />
dirección al centro <strong>de</strong>l disco óptico (“pie <strong>de</strong> la normal”), y que el cuerpo óptico no varíe su posición al mover la caja.<br />
Montaje<br />
Figura 1:1 –ajuste, 2 – primera medición<br />
1) Coloca el disco óptico en la mesa <strong>de</strong>lante <strong>de</strong> ti y el cuerpo óptico, con la superficie mate hacia abajo, sobre la línea vertical,<br />
<strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> las marcas, como se muestra en la figura 1.<br />
2) Coloca el diafragma <strong>de</strong> una rendija en la caja luminosa sobre la parte <strong>de</strong> la lente, y ponla aproximadamente a 1 cm. <strong>de</strong>l disco<br />
óptico. El lado semicircular <strong>de</strong>l cuerpo óptico queda frente a la caja luminosa (figura 1).<br />
Realización<br />
1) Conecta la caja luminosa a la fuente <strong>de</strong> alimentación (12V).<br />
2) Desplaza la caja luminosa (figura 1:1- ajuste) hasta que el haz estrecho discurra exactamente sobre el eje óptico (línea 0°,<br />
“normal al plano <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia”).<br />
3) Si la posición <strong>de</strong>l cuerpo óptico y la caja es correcta, el haz <strong>de</strong> luz estrecho continuará discurriendo sobre el eje óptico <strong>de</strong>spués<br />
<strong>de</strong> atravesar el cristal.<br />
4) Desplaza la caja luminosa (figura 1: 2 -primera medición) hasta que la luz incida sobre el cuerpo óptico formando un ángulo <strong>de</strong><br />
10° (con respecto a la normal al plano <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia).<br />
5) Observa el comportamiento <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho, <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> atravesar el cuerpo óptico, al salir por la superficie <strong>de</strong> separación<br />
vidrio/aire; anota lo que observas.<br />
6) Compara el ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia con el ángulo entre el haz <strong>de</strong> luz saliente (refractado) y el eje óptico (ángulo <strong>de</strong> refracción β).<br />
Anota <strong>de</strong> nuevo lo que compruebas.<br />
95
7) Mi<strong>de</strong> el ángulo <strong>de</strong> refracción y anota su valor en la tabla 1.<br />
8) Desplaza la caja luminosa hasta que el haz <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>nte forme exactamente un ángulo <strong>de</strong> 20° con la normal al plano <strong>de</strong><br />
inci<strong>de</strong>ncia (línea 0º).<br />
9) Lee el ángulo <strong>de</strong> refracción β correspondiente y anota <strong>de</strong> nuevo su valor en la tabla 1.<br />
10) Repite este procedimiento con los ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α dados en la tabla 1, anotando los ángulos <strong>de</strong> refracción β<br />
correspondientes.<br />
11) Observa el comportamiento <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho en la superficie <strong>de</strong> separación vidrio/aire, con el ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α =<br />
40°; anota lo que observas.<br />
12) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1) Comportamiento <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho al atravesar oblicuamente la superficie <strong>de</strong> separación vidrio/aire (α=10).<br />
2) Comparación entre el ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia y el ángulo <strong>de</strong> refracción.<br />
3) Comportamiento <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho al atravesar oblicuamente la superficie <strong>de</strong> separación vidrio/aire (α = 40°).<br />
Angulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α Angulo <strong>de</strong> refracción β<br />
10º<br />
20º<br />
30º<br />
40º<br />
Describe, <strong>de</strong> acuerdo con lo que has observado:<br />
1) Cómo se comporta el haz <strong>de</strong> luz estrecho al atravesar oblicuamente una superficie <strong>de</strong> separación vidrio/aire.<br />
2) Compara entre sí los ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia α y los correspondientes <strong>de</strong> refracción β <strong>de</strong> la tabla 1. Di el resultado.<br />
3) Compara las observaciones <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho con α = 10º y α= 40°. ¿Qué diferencia pue<strong>de</strong>s comprobar?.<br />
4) Trata <strong>de</strong> explicar cómo se comportaría un haz <strong>de</strong> luz estrecho enviado por una fuente <strong>de</strong> luz bajo agua (ej.: la caja luminosa <strong>de</strong><br />
un buceador) al atravesar la superficie <strong>de</strong> separación agua/aire.<br />
96
Práctica 50<br />
REFRACCION EN UN PRISMA<br />
Objetivo:<br />
Estudiar cómo se refracta la luz en un prisma.<br />
Determinar el ángulo total <strong>de</strong> refracción δ en un prisma, en función <strong>de</strong>l ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia <strong>de</strong> la luz.<br />
Material:<br />
Caja luminosa, halógena, 12V/20W<br />
con 3 diafragmas <strong>de</strong> cierre hermético<br />
con 1 diafragma, 1/2 rendijas<br />
Cuerpo óptico, trapezoidal<br />
Cuerpo óptico, ángulo recto<br />
Disco óptico<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Papel blanco DIN A4<br />
Transportador<br />
Introducción:<br />
En óptica, un prisma es un objeto capaz <strong>de</strong>, refractar, reflejar y <strong>de</strong>scomponer la luz en los colores <strong>de</strong>l arco iris. Generalmente,<br />
estos objetos tienen la forma <strong>de</strong> un prisma triangular, <strong>de</strong> ahí su nombre.<br />
De acuerdo con la ley <strong>de</strong> Snell, cuando la luz pasa <strong>de</strong>l aire al vidrio <strong>de</strong>l prisma disminuye su velocidad, <strong>de</strong>sviando su trayectoria y<br />
formando un ángulo con respecto a la interfase. Como consecuencia, se refleja o se refracta la luz. El ángulo <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia <strong>de</strong>l haz<br />
<strong>de</strong> luz y los índices <strong>de</strong> refracción <strong>de</strong>l prisma y el aire <strong>de</strong>terminan la cantidad <strong>de</strong> luz que será reflejada, la cantidad que será<br />
refractada o si suce<strong>de</strong>rá exclusivamente alguna <strong>de</strong> las dos cosas.<br />
Los prismas reflectivos son los que únicamente reflejan la luz, como son más fáciles <strong>de</strong> elaborar que los espejos, se utilizan en<br />
instrumentos ópticos como los prismáticos, los monoculares y otros.<br />
Los prismas dispersivos son usados para <strong>de</strong>scomponer la luz en el espectro <strong>de</strong>l arcoiris, porque el índice <strong>de</strong> refracción <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />
la frecuencia (ver dispersión); la luz blanca entrando al prisma es una mezcla <strong>de</strong> diferentes frecuencias y cada una se <strong>de</strong>svía <strong>de</strong><br />
manera diferente. La luz azul es disminuida a menor velocidad que la luz roja.<br />
Los prismas polarizantes separan cada haz <strong>de</strong> luz en componentes <strong>de</strong> variante polarización.<br />
Isaac Newton, al igual que sus contemporáneos científicos, pensaba que los prismas separaban los colores fuera <strong>de</strong> la luz incolora.<br />
Cuando hizo pasar cada color a través <strong>de</strong> un segundo prisma, <strong>de</strong>scubrió que seguían iguales y fue el primero en <strong>de</strong>scubrir que los<br />
prismas separan los colores <strong>de</strong> la luz. También usó una lente y un segundo prisma para volver a unir los colores separados en luz<br />
blanca.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Atención<br />
Cuida que el haz estrecho proce<strong>de</strong>nte <strong>de</strong> la caja luminosa (figura 1) incida siempre sobre el cuerpo óptico exactamente en el centro<br />
<strong>de</strong>l disco óptico (pie <strong>de</strong> la normal), y que el cuerpo no se mueva cuando se <strong>de</strong>splaza la caja.<br />
Experimento 1<br />
Refracción <strong>de</strong> la luz en un prisma<br />
1) Traza dos líneas perpendiculares en la hoja <strong>de</strong> papel. Al punto <strong>de</strong> intersección lo llamamos M.<br />
2) Haz una marca en la línea horizontal, 3 cm. a la <strong>de</strong>recha <strong>de</strong> M.<br />
3) Lleva al punto M un ángulo <strong>de</strong> 30º, y traza una línea auxiliar (figura 1).<br />
4) Coloca el cuerpo trapezoidal sobre la línea vertical, como se ve en la figura 1.<br />
5) Conecta la caja luminosa a la fuente <strong>de</strong> alimentación (12 V).<br />
6) Coloca la caja luminosa <strong>de</strong> forma que el haz <strong>de</strong> luz estrecho incida sobre el cuerpo óptico con un ángulo <strong>de</strong> 30° (figura 1).<br />
7) Observa la trayectoria <strong>de</strong>l haz estrecho <strong>de</strong>ntro y fuera <strong>de</strong>l cuerpo óptico. Anota lo que observes.<br />
8) Marca con pares <strong>de</strong> cruces el haz <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>nte, y el centro <strong>de</strong>l haz refractado.<br />
9) Marca en el papel el contorno <strong>de</strong>l cuerpo óptico.<br />
10) Levanta un trozo <strong>de</strong>l papel, ligeramente oblicuo, introduciéndolo en la trayectoria <strong>de</strong>l haz refractado, y <strong>de</strong>scribe lo que<br />
observes.<br />
11) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación y quita el cuerpo óptico <strong>de</strong>l papel.<br />
12) Une las marcas, para que se pueda ver la trayectoria <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz antes, <strong>de</strong>spués y también en el interior <strong>de</strong>l prisma.<br />
97
Figura 1<br />
Experimento 2<br />
Determinación <strong>de</strong>l ángulo total <strong>de</strong> refracción.<br />
1) Cambia el montaje experimental según la figura 2. Coge el cuerpo en ángulo recto en lugar <strong>de</strong>l trapezoidal. Colócalo en el disco<br />
óptico con uno <strong>de</strong> los catetos sobre la línea vertical (la parte mate hacia abajo). El ángulo recto <strong>de</strong>be coincidir con la marca.<br />
2) Coloca la caja luminosa <strong>de</strong> forma que el haz <strong>de</strong> luz estrecho incida sobre el cuerpo óptico con un ángulo <strong>de</strong> 10° (figura 2).<br />
3) Determina el ángulo total <strong>de</strong> refracción δ, y anota su valor en la tabla 1. El ángulo total <strong>de</strong> refracción δ es el formado por el rayo<br />
refractado y la prolongación imaginaria <strong>de</strong>l rayo inci<strong>de</strong>nte (figura 2).<br />
4) Repite esta medición con todos los ángulos <strong>de</strong> inci<strong>de</strong>ncia dados en la tabla 1, y anota en ella los valores <strong>de</strong> δ.<br />
5) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Refracción <strong>de</strong> la luz en un prisma.<br />
1) Cual es la trayectoria <strong>de</strong>l haz estrecho:<br />
2) Describe el haz refractado:<br />
Determinación <strong>de</strong>l ángulo total <strong>de</strong> refracción<br />
Angulo <strong>de</strong><br />
inci<strong>de</strong>ncia α<br />
Angulo total <strong>de</strong><br />
refracción δ<br />
Figura 2<br />
Tabla 1<br />
10º 20º 30º 40º 50º 60º 70º<br />
1) Traza las normales en la figura <strong>de</strong>l experimento 1, y trata <strong>de</strong> explicar la trayectoria <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz estrecho al atravesar el<br />
prisma, partiendo <strong>de</strong> tus observaciones y <strong>de</strong> la ley <strong>de</strong> la refracción.<br />
2) ¿Qué suce<strong>de</strong> con la luz blanca cuando atraviesa un prisma?<br />
3) Lleva al diagrama los valores medidos <strong>de</strong>l ángulo total <strong>de</strong> refracción δ (figura 3). ¿A qué conclusión llegas?<br />
δ<br />
Figura 3<br />
α<br />
98
Práctica 51<br />
<strong>DE</strong>SCOMPOSICION <strong>DE</strong> LA LUZ EN UN PRISMA<br />
Objetivo:<br />
Estudiar la <strong>de</strong>scomposición <strong>de</strong> la luz blanca (dispersión) al refractarse en un prisma.<br />
Material:<br />
Caja luminosa, halógena, 12V/20W<br />
con 3 diafragmas <strong>de</strong> cierre hermético<br />
con 1 diafragma, 1/2 rendijas<br />
Cuerpo óptico, trapezoidal<br />
Cuerpo óptico, ángulo recto<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Papel blanco, DIN A4<br />
Transportador <strong>de</strong> ángulos<br />
Regla<br />
Introducción:<br />
Prisma (óptica), bloque <strong>de</strong> vidrio u otro material transparente que tiene la misma sección transversal (generalmente un triángulo) en<br />
toda su longitud. Los dos tipos <strong>de</strong> prisma más frecuentes tienen secciones transversales triangulares con ángulos <strong>de</strong> 60 o <strong>de</strong> 45º.<br />
Los prismas tienen diversos efectos sobre la luz que pasa a través <strong>de</strong> ellos.<br />
Cuando se dirige un rayo <strong>de</strong> luz hacia un prisma, sus componentes <strong>de</strong> distintos colores son refractados (<strong>de</strong>sviados) en diferente<br />
medida al pasar a través <strong>de</strong> cada superficie, con lo que se produce una banda coloreada <strong>de</strong> luz <strong>de</strong>nominada espectro. Este fenómeno<br />
se conoce como dispersión cromática, y se <strong>de</strong>be al hecho <strong>de</strong> que los diferentes colores <strong>de</strong> la luz tienen distintas longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> onda,<br />
y son más o menos frenados al pasar a través <strong>de</strong>l vidrio: la luz roja es la que resulta menos frenada, y la violeta la que más. El<br />
físico británico <strong>de</strong>l siglo XVII Isaac Newton fue el primero en <strong>de</strong>ducir, a partir <strong>de</strong> experimentos con prismas, que la luz solar<br />
ordinaria es una mezcla <strong>de</strong> los diferentes colores.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Atención<br />
Cuida que el cuerpo óptico trapezoidal no se mueva cuando se <strong>de</strong>splaza la caja luminosa.<br />
Montaje<br />
1) Coloca sobre la mesa la hoja <strong>de</strong> papel en sentido horizontal. Traza dos líneas perpendiculares en el tercio izquierdo <strong>de</strong> la hoja.<br />
Al punto <strong>de</strong> intersección lo <strong>de</strong>nominamos M (figura 1). Haz una marca en la línea vertical a 6 cm. por encima <strong>de</strong> M.<br />
2) Marca un ángulo <strong>de</strong> 28° <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el punto <strong>de</strong> intersección M, y traza una línea auxiliar (figura 1).<br />
3) Dobla hacia arriba la esquina superior <strong>de</strong>recha <strong>de</strong>l papel. Formará una especie <strong>de</strong> pantalla.<br />
4) Coloca el cuerpo trapezoidal (la cara mate hacia abajo) sobre la línea vertical, entre el punto M y la marca, como indica la figura<br />
1. Dibuja el contorno <strong>de</strong>l prisma.<br />
5) Coloca la caja luminosa, con la parte <strong>de</strong> la lente, pero sin diafragma, oblicua por encima <strong>de</strong>l cuerpo óptico (figura 1).<br />
Figura 1 Figura 2<br />
Realización<br />
1) Conecta la caja luminosa a la fuente <strong>de</strong> alimentación (12 V).<br />
2) Desplaza la caja luminosa hasta que el bor<strong>de</strong> inferior <strong>de</strong> la sombra <strong>de</strong>l haz coincida con la línea auxiliar (figura 1).<br />
3) Observa el haz refractado que sale <strong>de</strong>l prisma formando franjas. Corrige, si es necesario, la posición <strong>de</strong> la caja luminosa<br />
girándola cuidadosamente. Su posición es correcta cuando el haz refractado se proyecta completamente coloreado sobre la pantalla,<br />
viéndose también el color violeta.<br />
99
4) Tapa aproximadamente la mitad <strong>de</strong> la abertura <strong>de</strong> la caja luminosa, para que la luz salga sólo por la cara oblicua <strong>de</strong>l prisma<br />
(figura 1).<br />
5) Anota los colores que se ven en la pantalla.<br />
6) Introduce cuidadosamente <strong>de</strong>s<strong>de</strong> abajo la punta <strong>de</strong>l prisma en ángulo recto <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l abanico <strong>de</strong> colores <strong>de</strong>l haz refractado<br />
(figura 2: 1). ¿Qué observas <strong>de</strong>trás <strong>de</strong> este prisma? Anótalo en la tabla 1.<br />
7) Repite el mismo procedimiento, pero introduce en el haz la punta <strong>de</strong>l prisma <strong>de</strong>s<strong>de</strong> arriba (figura 2: 2). Anota <strong>de</strong> nuevo lo que<br />
observes en la tabla 1.<br />
8) Quita el prisma en ángulo recto <strong>de</strong>l papel.<br />
9) Coloca el diafragma <strong>de</strong> una rendija en la caja luminosa, en la parte <strong>de</strong> la lente.<br />
10) Desplaza la caja luminosa para que el haz <strong>de</strong> luz incida sobre el prisma paralelo a la línea auxiliar, a 1 cm. aproximadamente <strong>de</strong><br />
ella.<br />
11) Marca el haz <strong>de</strong> luz inci<strong>de</strong>nte, el centro y los bor<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l haz refractado. Anota en la hoja <strong>de</strong> papel la posición <strong>de</strong> los colores.<br />
12) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación y quita el cuerpo óptico <strong>de</strong>l papel.<br />
13) Traza, siguiendo las marcas, la trayectoria <strong>de</strong>l haz <strong>de</strong> luz antes, <strong>de</strong>ntro y <strong>de</strong>trás <strong>de</strong>l prisma.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1) Que colores observas en la pantalla<br />
Tabla 1<br />
Posición <strong>de</strong> la punta <strong>de</strong>l prisma en ángulo recto Observación<br />
En la zona <strong>de</strong>l rojo<br />
En todo el haz<br />
En la zona <strong>de</strong>l azul<br />
En todo el haz<br />
De acuerdo a las observaciones realizadas:<br />
1) ¿Qué suce<strong>de</strong> con la luz blanca cuando atraviesa un prisma?<br />
2) De qué color es la luz que más se ha refractado, y <strong>de</strong> qué color la que menos.<br />
3) ¿Se pue<strong>de</strong>n volver a <strong>de</strong>scomponer los colores <strong>de</strong>l espectro mediante un segundo prisma?<br />
4) ¿Dón<strong>de</strong> pue<strong>de</strong>s observar en la naturaleza fenómenos cromáticos similares?<br />
Ejercicio complementario:<br />
Traza en la hoja <strong>de</strong> papel las normales, e intenta explicar, por lo que has observado en el haz estrecho y utilizando la ley <strong>de</strong><br />
refracción, la trayectoria <strong>de</strong> la luz al atravesar un prisma<br />
100
Practica 52<br />
REUNIFICACIÓN <strong>DE</strong> LOS COLORES <strong>DE</strong>L ESPECTRO<br />
Objetivo:<br />
Estudiar la posibilidad <strong>de</strong> reunificar la luz blanca, que ha sido <strong>de</strong>scompuesta en un prisma.<br />
Material:<br />
Caja luminosa, halógena, 12V/20W<br />
con 3 diafragmas <strong>de</strong> cierre hermético<br />
con 1 diafragma, 1/2 rendijas<br />
Cuerpo óptico, semicircular<br />
Cuerpo óptico, trapezoidal<br />
Cuerpo óptico, plano convexo, f= +l00 mm.<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
Papel blanco, DIN A4<br />
Transportador <strong>de</strong> ángulos<br />
Regla<br />
Desarrollo experimental:<br />
Atención<br />
Cuida que el cuerpo óptico trapezoidal no se mueva cuando se <strong>de</strong>splaza la caja luminosa.<br />
Montaje<br />
1) Coloca sobre la mesa la hoja <strong>de</strong> papel en sentido horizontal. Traza dos líneas perpendiculares en el tercio izquierdo <strong>de</strong> la hoja.<br />
Al punto <strong>de</strong> intersección lo <strong>de</strong>nominamos M (figura 1). Haz una marca a 6cm en la línea vertical por encima <strong>de</strong> M.<br />
2) Marca un ángulo <strong>de</strong> 28° <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el punto <strong>de</strong> intersección M, y traza una línea auxiliar (figura 1).<br />
3) Coloca el cuerpo trapezoidal sobre la línea vertical, entre el punto M y la marca a 6 cm., como indica la figura 1.<br />
4) Coloca la caja luminosa, con la parte <strong>de</strong> la lente, pero sin diafragma, oblicua por encima <strong>de</strong>l cuerpo óptico (figura 1).<br />
Realización<br />
1) Conecta la caja luminosa a la fuente <strong>de</strong> alimentación (12V).<br />
2) Desplaza la caja luminosa hasta que el bor<strong>de</strong> interior <strong>de</strong> la sombra coincida exactamente con la línea auxiliar (figura 1).<br />
3) Observa el haz refractado que sale <strong>de</strong>l prisma formando franjas. Corrige, si es necesario, la posición <strong>de</strong> la caja luminosa<br />
girándola cuidadosamente. Su posición es correcta cuando en el haz refractado se distinguen todos los colores, viéndose también el<br />
color violeta.<br />
4) Tapa aproximadamente la mitad <strong>de</strong> la abertura <strong>de</strong> la caja luminosa, para que la luz salga sólo por la cara oblicua <strong>de</strong>l prisma<br />
(figura 1).<br />
5) ¿Qué colores se observan? Anótalos en la tabla 1 (primera línea).<br />
6) Une las dos lentes convexas por sus caras planas y sitúalas en el haz refractado abierto en abanico, como se ve en la figura 1:2.<br />
7) Observa la trayectoria <strong>de</strong>l haz refractado antes y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> pasar por la combinación <strong>de</strong> lentes, y anótalo en la tabla 1.<br />
8) Suprime el color rojo <strong>de</strong>l haz en abanico antes <strong>de</strong> que entre en las lentes, utilizando, p. ej. una tira <strong>de</strong> papel. Observa la variación<br />
<strong>de</strong>l color reunificado, y anota <strong>de</strong> nuevo lo que observes en la tabla 1.<br />
9) Repite el proceso, pero suprimiendo ahora la zona azul <strong>de</strong>l espectro antes <strong>de</strong> las lentes. Obsérvalo y anota en la tabla 1.<br />
10) Desconecta la fuente <strong>de</strong> alimentación, y quita los cuerpos ópticos <strong>de</strong>l papel.<br />
Figura 1<br />
101
Resultados y conclusiones:<br />
Tabla 1<br />
Montaje experimental Observación<br />
Trayectoria <strong>de</strong> la luz sin la<br />
combinación <strong>de</strong> lentes<br />
Combinación <strong>de</strong> lentes en la<br />
trayectoria <strong>de</strong> la luz<br />
Supresión <strong>de</strong> la zona <strong>de</strong>l rojo<br />
Supresión <strong>de</strong> la zona <strong>de</strong>l azul<br />
Contesta las siguientes preguntas<br />
1) ¿Qué suce<strong>de</strong> con la luz blanca cuando atraviesa un prisma?.<br />
2) ¿Qué cambios se producen cuando se hace pasar el haz abierto en abanico a través <strong>de</strong> una lente convexa?.<br />
3) ¿Por qué la percepción <strong>de</strong>l color varía cuando se suprimen colores <strong>de</strong>l espectro?<br />
4) ¿Se pue<strong>de</strong>n reunificar los colores <strong>de</strong> la luz?.<br />
5) ¿Se pue<strong>de</strong> volver a <strong>de</strong>scomponer por dispersión un color compuesto, obtenido por supresión <strong>de</strong> uno <strong>de</strong> los colores <strong>de</strong>l espectro?.<br />
102
Práctica 53<br />
DIFRACCIÓN <strong>DE</strong> UN HAZ <strong>DE</strong> LUZ.<br />
Objetivo:<br />
Desarrollar un experimento don<strong>de</strong> el alumno pueda apreciar el fenómeno óptico <strong>de</strong> la difracción <strong>de</strong> un haz <strong>de</strong> luz. Compren<strong>de</strong>r el<br />
fenómeno <strong>de</strong> la difracción <strong>de</strong> la luz asociado con la naturaleza <strong>de</strong> la luz y la forma <strong>de</strong> propagación <strong>de</strong> la misma.<br />
Material:<br />
Caja <strong>de</strong> luz 12 Volts, 20 Watts.<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong> voltaje variable<br />
Disco óptico.<br />
Regla.<br />
Introducción:<br />
En física, la difracción es un fenómeno característico <strong>de</strong> las ondas que consiste en la dispersión y curvado aparente <strong>de</strong> las ondas<br />
cuando encuentran un obstáculo. La difracción ocurre en todo tipo <strong>de</strong> ondas, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> ondas sonoras, ondas en la superficie <strong>de</strong> un<br />
fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas <strong>de</strong> radio. También suce<strong>de</strong> cuando un grupo <strong>de</strong> ondas <strong>de</strong> tamaño finito se<br />
propaga; por ejemplo, por culpa <strong>de</strong> la difracción, un haz angosto <strong>de</strong> ondas <strong>de</strong> luz <strong>de</strong> un láser <strong>de</strong>ben finalmente divergir en un rayo<br />
más amplio a una distancia suficiente <strong>de</strong>l emisor.<br />
Comparación entre los patrones <strong>de</strong> difracción e interferencia producidos por una doble rendija (arriba) y cinco rendijas (abajo).El<br />
fenómeno <strong>de</strong> la difracción es un fenómeno <strong>de</strong> tipo interferencial y como tal requiere la superposición <strong>de</strong> ondas coherentes entre sí.<br />
Los efectos <strong>de</strong> la difracción disminuyen hasta hacerse in<strong>de</strong>tectables a medida que el tamaño <strong>de</strong>l objeto aumenta comparado con la<br />
longitud <strong>de</strong> onda.<br />
En Italia —posiblemente mientras Newton <strong>de</strong>sarrollaba su famosa Óptica o Tratado <strong>de</strong> la reflexiones, refracciones, inflexiones y<br />
colores <strong>de</strong> la luz— un jesuita italiano, Francesco Grimaldi (1618-1663), físico y astrónomo, quien en 1651 dio los nombres que<br />
hasta ahora conservan los acci<strong>de</strong>ntes <strong>de</strong>l lado visible <strong>de</strong> la Luna, <strong>de</strong>scubría un importante fenómeno óptico llamado por él mismo<br />
difracción <strong>de</strong> la luz. Este fenómeno se presenta siempre que <strong>de</strong> la luz emitida por una fuente se separa una fracción interponiendo<br />
un cuerpo opaco y esto es lo que da origen a su nombre: división en fracciones.<br />
Desarrollo experimental:<br />
1) Antes <strong>de</strong> comenzar con el presente experimento <strong>de</strong>berá <strong>de</strong> cerciorarse que el ambiente <strong>de</strong> trabajo sea un ambiente con poca<br />
luminosidad o en penumbras, para po<strong>de</strong>r apreciar con facilidad el fenómeno <strong>de</strong> la difracción.<br />
2) Coloque las rejillas <strong>de</strong> la caja <strong>de</strong> luz en los lados y en el lado <strong>de</strong>l lente (este lado no será ocupado) para que no exista fugas <strong>de</strong><br />
luz durante el experimento.<br />
3) Coloque la caja <strong>de</strong> luz sobre la superficie <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l extremo a utilizar (contrario al extremo <strong>de</strong>l lente), se le insertará como<br />
pantalla una placa con un orificio <strong>de</strong> apenas 1milímetro <strong>de</strong> diámetro, esta placa <strong>de</strong>be <strong>de</strong> insertarse <strong>de</strong>l extremo tal, que el haz <strong>de</strong> luz<br />
que<strong>de</strong> lo más cercano <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong> trabajo.<br />
4) Acerque el disco con la cara graduada sobre la superficie <strong>de</strong>l área <strong>de</strong> trabajo, es <strong>de</strong>cir con la cara posterior <strong>de</strong>l disco, hacia<br />
arriba.<br />
5) Encienda la caja <strong>de</strong> luz por medio <strong>de</strong> la fuente <strong>de</strong> po<strong>de</strong>r.<br />
6) Tome el disco óptico y levántelo lentamente, <strong>de</strong>l extremo contrario al extremo más cercano <strong>de</strong> la caja <strong>de</strong> luz.<br />
7) Gradualmente mientras levanta el disco óptico podrá observar el fenómeno <strong>de</strong> la difracción como se ve en la figura. Se alcanza<br />
la forma más <strong>de</strong>finida <strong>de</strong> este fenómeno a aproximadamente 60º <strong>de</strong> inclinación don<strong>de</strong> se distinguen más <strong>de</strong>finidas las bandas<br />
fragmentadas <strong>de</strong> luz.<br />
Patrón De difracción producido por una rejilla simple<br />
103
Disco<br />
Òptico<br />
104<br />
Difracción<br />
<strong>de</strong> la luz<br />
Figura 1<br />
Resultados y conclusiones.<br />
1) Una vez visualizada la experiencia <strong>de</strong> la difracción sobre el disco óptico, sobreponga en el disco óptico una hoja en blanco,<br />
realice el arreglo para visualizar la difracción y marque los patrones formados por el fenómeno.<br />
2) Realice una investigación acerca <strong>de</strong> las aplicaciones <strong>de</strong> la difracción <strong>de</strong> las ondas electromagnéticas y acerca <strong>de</strong>l fenómeno <strong>de</strong><br />
interferencia.
Práctica 54<br />
MEDICIÓN <strong>DE</strong> TEMPERATURAS Y TRANSFORMACIÓN <strong>DE</strong> ESCALAS<br />
Objetivo:<br />
Medir temperaturas y transformar escalas <strong>de</strong> temperatura. Conocer el principio físico referencial, en el que se basan las escalas <strong>de</strong><br />
medición <strong>de</strong> temperatura, y conocer los factores <strong>de</strong> conversión entre las escalas <strong>de</strong> temperatura.<br />
Material:<br />
1 Matraz.<br />
1 Soporte para matraz.<br />
1 Soporte universal<br />
1 Tela <strong>de</strong> amianto<br />
1 Mechero<br />
1 Termómetro en grados Centígrados.<br />
1 Termómetro en grados Fahrenheit.<br />
1 Cronómetro.<br />
1 Interfase<br />
1 Computadora<br />
1 Sensor <strong>de</strong> temperatura<br />
Introducción:<br />
La temperatura es un parámetro termodinámico <strong>de</strong>l estado <strong>de</strong> un sistema que caracteriza el calor, o transferencia <strong>de</strong> energía.<br />
Multitud <strong>de</strong> propieda<strong>de</strong>s fisicoquímicas <strong>de</strong> los materiales o las sustancias varían en función <strong>de</strong> la temperatura a la que se<br />
encuentren, como por ejemplo su estado (gaseoso, líquido, sólido, plasma...), la <strong>de</strong>nsidad, la solubilidad, la presión <strong>de</strong> vapor o la<br />
conductividad eléctrica. Así mismo es uno <strong>de</strong> los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones<br />
químicas.<br />
En el Sistema Internacional <strong>de</strong> Unida<strong>de</strong>s, la unidad <strong>de</strong> temperatura es el kelvin. Sin embargo, está muy generalizado el uso <strong>de</strong> otras<br />
escalas <strong>de</strong> temperatura, concretamente la escala Celsius (o centígrada), y, en los países anglosajones, la escala Fahrenheit. También<br />
existe la escala Rankine (°R) que establece su punto <strong>de</strong> referencia en el mismo punto <strong>de</strong> la escala Kelvin, es la escala utilizada en el<br />
Sistema Inglés Absoluto. Una diferencia <strong>de</strong> temperatura <strong>de</strong> un kelvin equivale a una diferencia <strong>de</strong> un grado centígrado.<br />
Desarrollo experimental:<br />
1) Añadir agua en el matraz, y colocar el mismo sobre un soporte.<br />
2) Colocar los dos termómetros con las escala en grados Centígrados y Fahrenheit, para realizar las medidas <strong>de</strong> temperatura.<br />
3) Colocar el mechero en la parte inferior <strong>de</strong>l matraz, y tomar las dos primeras lecturas <strong>de</strong> temperatura <strong>de</strong>l agua y registrarlas.<br />
4) Sincronizar el cronómetro <strong>de</strong> tal manera que se tomará las otras dos siguientes medidas <strong>de</strong> temperaturas cada minuto, los datos<br />
<strong>de</strong> temperaturas y tiempo se irán anotando para formar una tabla <strong>de</strong> valores (tabla 1).<br />
5) Tomar las medidas <strong>de</strong> temperatura hasta el momento en el que el agua alcance el punto <strong>de</strong> ebullición.<br />
6) Realiza los procedimientos <strong>de</strong> Inicio, y conexión <strong>de</strong> la interfase con la computadora <strong>de</strong>scritos en “Guía De Experimentación<br />
Con Interfase, Sensores Y Computadora (Software Excel)”,Inicia el Programa Excel para la adquisición <strong>de</strong> datos con el sensor<br />
Temperatura. Determina el intervalo <strong>de</strong> tiempo para las mediciones por medio <strong>de</strong>l temporizador.<br />
7) Determina el experimento anterior haciendo uso <strong>de</strong>l sensor <strong>de</strong> temperatura.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1) Registrar los datos <strong>de</strong> la Temperatura en Grados Celsius y trasformar estos valores a grados Fahrenheit, formando así otra tabla<br />
<strong>de</strong> valores (tabla 2).<br />
2) Tomar los datos <strong>de</strong> la Temperatura en Grados Fahrenheit y trasformar estos valores a grados Celsius, formando así otra tabla <strong>de</strong><br />
valores (tabla 3).<br />
3) Graficar las temperaturas <strong>de</strong> la tabla 1 (Temperatura vs Tiempo)<br />
4) Graficar las temperaturas <strong>de</strong> las tablas 2y 3 (temperatura vs tiempo) en hojas milimétricas (eje x= Tiempo, eje y=<br />
Temperatura).<br />
5) Comparar todos los resultados con los obtenidos con la interfase y el sensor <strong>de</strong> temperatura.<br />
105
Práctica 55<br />
EXPANSIÓN Y CONTRACCIÓN TÉRMICA<br />
“TERMÓMETRO <strong>DE</strong> GALILEO”<br />
Objetivo:<br />
Comprobar el aumento <strong>de</strong> un volumen <strong>de</strong> un gas <strong>de</strong>bido al aumento <strong>de</strong> temperatura.<br />
Material:<br />
1 Matraz Erlenmeyer<br />
1 Tampón <strong>de</strong> goma mono horadado<br />
1 Pipeta <strong>de</strong> 2 ml<br />
1 Soporte universal<br />
1 vaso <strong>de</strong> precipitado <strong>de</strong> 100 ml<br />
1 lámpara <strong>de</strong> alcohol<br />
Introducción:<br />
Uno <strong>de</strong> los primeros dispositivos para evaluar la temperatura fue el “termoscopio a aire” inventado por Galileo. Ese termoscopio<br />
no pue<strong>de</strong> ser consi<strong>de</strong>rado propiamente un termómetro, una vez que no establece valores numéricos para la temperatura, o sea,<br />
apenas indica si el cuerpo está más caliente o más frío <strong>de</strong> lo que otro tomado como referencia.<br />
El termoscopio <strong>de</strong> Galileo, es constituido <strong>de</strong> un bulbo conectado a un tubo <strong>de</strong> vidrio que tiene la extremidad inferior inmersa en un<br />
líquido. Cuando la temperatura <strong>de</strong>l aire contenido en el bulbo aumenta, la presión <strong>de</strong>l aire también aumenta y el nivel <strong>de</strong>l líquido<br />
baja.<br />
Consta que, originalmente, Galileo habría usado vino en su termoscopio para visualizar mejor el nivel <strong>de</strong>l líquido.<br />
Desarrollo experimental:<br />
1) Conecte el tapón <strong>de</strong> goma al matraz Erlenmeyer y a la pipeta el tampón, observando que no haya pérdidas.<br />
2) Adapte el conjunto al soporte universal, <strong>de</strong> modo que el bor<strong>de</strong> <strong>de</strong>l matraz Erlenmeyer que<strong>de</strong> para abajo.<br />
3) Caliente un poco el Erlenmeyer y sumerja la extremidad abierta (inferior) en un vaso <strong>de</strong> precipitados <strong>de</strong> 100 ml. con agua.<br />
4) Monte el termómetro y observe la variación <strong>de</strong> la columna en la pipeta cuando calentamos el Erlenmeyer o <strong>de</strong>jamos que enfríe a<br />
temperatura ambiente.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1. ¿Por qué cuando calentamos el Matraz Erlenmeyer la columna <strong>de</strong> agua baja y cuando lo enfriamos la columna sube?<br />
2. ¿Por qué el conjunto matraz Erlenmeyer + pipeta es llamado <strong>de</strong> termómetro?<br />
106
Práctica 56<br />
CAMBIO <strong>DE</strong> ESTADO<br />
Objetivo:<br />
Mostrar al alumno lo que ocurre con la temperatura <strong>de</strong> un cuerpo en cambio <strong>de</strong> estado. Observación: el agua pura tiene su<br />
temperatura <strong>de</strong> fusión a 1 atm, en 0°C. Cuando agregamos la sal esa temperatura disminuye, así se pue<strong>de</strong> mantener el hielo por más<br />
tiempo.<br />
Material:<br />
1 vaso <strong>de</strong> precipitado<br />
1 Sensor <strong>de</strong> temperatura<br />
1 Interfase<br />
Computadora.<br />
1 paño<br />
1 picahielo<br />
1 cronómetro<br />
1 Jeringa sin aguja<br />
1 Tubo <strong>de</strong> ensayo<br />
Cubos <strong>de</strong> hielo<br />
Sal <strong>de</strong> cocina<br />
Regla<br />
Papel milimétrico<br />
1 Termómetro en escala Centígrada.<br />
Introducción:<br />
En física y química se <strong>de</strong>nomina cambio <strong>de</strong> estado a la evolución <strong>de</strong> la materia entre varios estados <strong>de</strong> agregación sin que ocurra<br />
un cambio en su composición. Los tres estados básicos son el sólido, el líquido y el gaseoso.<br />
La siguiente tabla indica cómo se <strong>de</strong>nominan los cambios <strong>de</strong> estado:<br />
INICIAL/ FINAL SÓLIDO LÍQUIDO GAS<br />
Sólido fusión Sublimación o sublimación progresiva<br />
Líquido solidificación evaporación y ebullición<br />
Gas sublimación inversa o regresiva con<strong>de</strong>nsación y licuefacción<br />
También se pue<strong>de</strong> ver claramente con el siguiente gráfico:<br />
Los dos parámetros <strong>de</strong> los que <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> que una sustancia o mezcla se encuentre en un estado o en otro son temperatura y presión.<br />
La temperatura es una medida <strong>de</strong> la energía cinética <strong>de</strong> las moléculas y átomos <strong>de</strong> un cuerpo. Un aumento <strong>de</strong> temperatura o una<br />
reducción <strong>de</strong> la presión favorecen la fusión, la evaporación y la sublimación, mientras que un <strong>de</strong>scenso <strong>de</strong> temperatura o un<br />
aumento <strong>de</strong> presión favorecen los cambios opuestos.<br />
4.500 ºC — No hay sólidos.<br />
6.000 °C — No hay líquidos (solo gases).<br />
107
10.000 °C — Sólo plasma<br />
Desarrollo Experimental<br />
1) Con un pica hielo quiebre los cubos <strong>de</strong> hielo envueltos en paño. Eche el hielo picado a un vaso <strong>de</strong> precipitado, lea la<br />
temperatura y anote (Figura 1).<br />
2) Retire el termómetro y agregue la sal <strong>de</strong> cocina, mezcle e introduzca el termómetro (Figura2).<br />
3) Observe por algunos minutos la columna <strong>de</strong> mercurio en el termómetro y anote la temperatura final <strong>de</strong> equilibrio.<br />
4) Introduzca un tubo <strong>de</strong> ensayo en la mezcla. Coloque el bulbo <strong>de</strong>l termómetro <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l tubo <strong>de</strong> ensayo a ½ centímetro <strong>de</strong>l<br />
fondo (Figura 3). Con la jeringa, agregue agua al tubo <strong>de</strong> ensayo suficiente para cubrir el bulbo <strong>de</strong>l termómetro. Anote la hora y la<br />
temperatura inicial <strong>de</strong>l proceso.<br />
5) Mueva suavemente el agua, con el propio termómetro, en el interior <strong>de</strong>l tubo <strong>de</strong> ensayo, anote <strong>de</strong> 30 en 30 segundos, la<br />
temperatura <strong>de</strong>l agua. Compruebe si hay cambio <strong>de</strong> estado.<br />
Figura 1 Figura 2 Figura 3<br />
6) Realiza los procedimientos <strong>de</strong> Inicio, y conexión <strong>de</strong> la interfase con la computadora <strong>de</strong>scritos en “Guía De Experimentación<br />
Con Interfase, Sensores Y Computadora (Software Excel)”, Inicia el Programa Excel para la adquisición <strong>de</strong> datos con el sensor<br />
temperatura. Determina el intervalo <strong>de</strong> tiempo para las mediciones por medio <strong>de</strong>l temporizador.<br />
7) Realice el experimento en esta ocasión con el sensor <strong>de</strong> temperatura tomando <strong>de</strong>terminaciones en tiempo real y en forma mucho<br />
más precisan por medio <strong>de</strong> la cuál podrá visualizar en una gráfica en tiempo real el calor específico <strong>de</strong> las mezclas o cuerpos que<br />
cambien <strong>de</strong> estado físico.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1. Observando el ítem 5, ¿Qué cambio <strong>de</strong> estado ocurrió?.<br />
2. Realice el análisis sobre la gráfica generada con la interfase y la computadora.<br />
3. ¿Cuál el significado físico <strong>de</strong>l plató en el gráfico?.<br />
4. En caso <strong>de</strong> que este experimento fuese realizado en otro lugar, con presión atmosférica diferente, ¿los valores encontrados<br />
serían los mismos?.<br />
En el cambio <strong>de</strong> estado no ocurre variación <strong>de</strong> temperatura, el calor cedido o retirado <strong>de</strong>l cuerpo es llamado <strong>de</strong> calor latente, al<br />
plotarse, un gráfico <strong>de</strong> temperatura por calor cambiado <strong>de</strong> un cuerpo, que está a priori en, estado sólido, el plató (curva) presentará<br />
en un momento una recta paralela al eje <strong>de</strong>l calor. Allí ocurre el cambio <strong>de</strong> estado.<br />
108
Objetivo:<br />
Construir una pila<br />
Material:<br />
2 Vasos <strong>de</strong> precipitado <strong>de</strong> 100 ml<br />
1 Lámina <strong>de</strong> cobre<br />
1 Lámina <strong>de</strong> zinc<br />
2 Cables conectores caimán-caimán<br />
1 Tubo en “U”<br />
Disolución 1 M <strong>de</strong> CuSO4<br />
Disolución 1 M <strong>de</strong> ZnSO4<br />
Disolución concentrada <strong>de</strong> KCl<br />
Algodón<br />
Lámpara tipo arroz<br />
Algodón<br />
Interfase<br />
Computadora.<br />
Sensor para voltaje.<br />
Sensor para corriente.<br />
Practica 57<br />
CELDAS O PILAS<br />
Introducción:<br />
Se llama ordinariamente pila eléctrica a un dispositivo que genera energía eléctrica por un proceso químico transitorio, tras <strong>de</strong> lo<br />
cual cesa su actividad y han <strong>de</strong> renovarse sus elementos constituyentes, puesto que sus características resultan alteradas durante el<br />
mismo. Se trata <strong>de</strong> un generador primario. Esta energía resulta accesible mediante dos terminales que tiene la pila, llamados polos,<br />
electrodos o bornes. Uno <strong>de</strong> ellos es el polo positivo o ánodo y el otro es el polo negativo o cátodo.<br />
Aunque la apariencia <strong>de</strong> cada una <strong>de</strong> estas celdas sea simple, la explicación <strong>de</strong> su funcionamiento dista <strong>de</strong> serlo y motivó una gran<br />
actividad científica en los siglos XIX y XX, así como diversas teorías, y la <strong>de</strong>manda creciente que tiene este producto en el<br />
mercado sigue haciendo <strong>de</strong> él objeto <strong>de</strong> investigación intensa.<br />
El agua que tenga sales disueltas, es <strong>de</strong>cir, agua ordinaria o agua con sal añadida, es un ejemplo <strong>de</strong> electrolito, pues el agua pura es<br />
prácticamente un aislante eléctrico. El electrolito es conductor porque contiene iones libres, partículas dotadas <strong>de</strong> carga eléctrica<br />
que pue<strong>de</strong>n <strong>de</strong>splazarse por su interior. Si se sumergen en él dos electrodos y se hace pasar una corriente eléctrica por el circuito<br />
así formado, se producen reacciones químicas entre las sustancias <strong>de</strong>l conjunto. Este proceso es el conocido fenómeno <strong>de</strong> la<br />
electrolisis. Las pilas son el proceso inverso <strong>de</strong> la electrólisis, es <strong>de</strong>cir, en ellas los elementos están dispuestos <strong>de</strong> tal modo que la<br />
reacción química que se produce entre sus constituyentes cuando se cierra el circuito genere una diferencia <strong>de</strong> potencial en los<br />
electrodos, <strong>de</strong> modo que se pueda suministrar corriente eléctrica a una carga externa.<br />
El funcionamiento <strong>de</strong> una pila se basa en el potencial <strong>de</strong> contacto entre un metal y un electrolito, esto es, el potencial que se<br />
produce al poner en contacto un metal con un líquido.<br />
109
Desarrollo experimental:<br />
1) Colocar en un vaso <strong>de</strong> precipitados 50cm3 <strong>de</strong> disolución <strong>de</strong> CuSO4 e introducir en ella el electrodo <strong>de</strong> Cu [lámina <strong>de</strong> Cu].<br />
Colocar en otro recipiente50 cm3 <strong>de</strong> disolución <strong>de</strong> ZnSO4 e introducir en ella el electrodo <strong>de</strong> Zn [lámina <strong>de</strong> Zn].<br />
2) Preparar el puente salino:<br />
- Tomar el tubo <strong>de</strong> vidrio en forma <strong>de</strong> “U” y llenarlo con la disolución <strong>de</strong> KCl.<br />
- Utilizar un trocito <strong>de</strong> algodón mojado en la disolución <strong>de</strong> KCl, para cerrar los dos extremos <strong>de</strong>l tubo e intentar que no que<strong>de</strong>n<br />
burbujas <strong>de</strong> aire en el interior <strong>de</strong>l tubo.<br />
3) Colocar el puente salino entre las dos disoluciones<br />
4) Realiza los procedimientos <strong>de</strong> Inicio, y conexión <strong>de</strong> la interfase con la computadora <strong>de</strong>scritos en “Guía De Experimentación<br />
Con Interfase, Sensores Y Computadora (Software Excel)”, Inicia el Programa Excel para la adquisición <strong>de</strong> datos con el sensor<br />
corriente y voltaje. Determina el intervalo <strong>de</strong> tiempo para las mediciones por medio <strong>de</strong>l temporizador<br />
5) Se unen las terminales caimán a las láminas y esto se une con las terminales <strong>de</strong> los sensores <strong>de</strong> voltaje y corriente en tiempo<br />
real registrando las variaciones en voltaje y corriente.<br />
6) Po<strong>de</strong>mos comprobar que hemos formado una pila al conectar los electrodos a la lámpara tipo arroz.<br />
Nota es conveniente que los electrodos, recipientes y puente salino estén muy limpios, para realizar correctamente las mediciones<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1) Escribir el fundamento <strong>de</strong> la pila seca<br />
2) Escribir el fundamento y las reacciones que se efectúa el acumulador <strong>de</strong> un automóvil.<br />
3) Analice los datos obtenidos en tiempo real<br />
110
Objetivo:<br />
Transformar energía calorífica en energía eléctrica.<br />
Material:<br />
1 Generador termoeléctrico<br />
2 Vasos <strong>de</strong> precipitado <strong>de</strong> 100 ml<br />
Hielo<br />
1 Mechero<br />
1 Soporte universal<br />
1 Anillo<br />
1 Tela <strong>de</strong> amianto<br />
1 Motor para oscilaciones<br />
Práctica 58<br />
GENERADOR TERMOELÉCTRICO<br />
Introducción:<br />
La generación <strong>de</strong> energía eléctrica, en términos generales, consiste en transformar alguna clase <strong>de</strong> energía no eléctrica, sea esta<br />
química, mecánica, térmica, luminosa, etc., en energía eléctrica.<br />
Para la generación industrial <strong>de</strong> energía eléctrica se recurre a instalaciones <strong>de</strong>nominadas centrales eléctricas, las que ejecutan<br />
alguna <strong>de</strong> las transformaciones citadas y constituyen el primer escalón <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> suministro eléctrico.<br />
Dependiendo <strong>de</strong> la fuente primaria <strong>de</strong> energía utilizada, las centrales generadoras se clasifican en:<br />
Térmicas<br />
Hidroeléctricas<br />
Nucleares<br />
Eólicas<br />
Solares termoeléctricas<br />
Solares fotovoltaicas<br />
Mareomotrices<br />
No obstante todos los tipos indicados, la mayor parte <strong>de</strong> la energía eléctrica generada proviene <strong>de</strong> los tres primeros tipos <strong>de</strong><br />
centrales reseñados.<br />
Desarrollo experimental:<br />
1) En un vaso <strong>de</strong> precipitado coloca unos cubos <strong>de</strong> hielo y en otro vaso <strong>de</strong> precipitado coloca agua caliente<br />
2) Sumerja una <strong>de</strong> las dos placas <strong>de</strong>l generador termoeléctrico en el vaso <strong>de</strong> precipitado con agua caliente y la otra placa se<br />
sumerge en el agua fría.<br />
3) Pue<strong>de</strong> extraerse corriente <strong>de</strong> las hembrillas una vez que las placas se han adaptado a la temperatura.<br />
4) Con esta corriente hacer funcionar una el motor para oscilaciones.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1) En que principio se basa el experimento.<br />
2) Investigue el principio <strong>de</strong> conducción en semiconductores y las energías generadas en celdas <strong>de</strong> hidrógeno.<br />
111
Práctica 59<br />
ELECTRÓLISIS <strong>DE</strong>L AGUA<br />
Objetivo:<br />
Mostrar la <strong>de</strong>scomposición <strong>de</strong>l agua en sus elementos componentes. Comprobar el efecto <strong>de</strong> la electricidad sobre el agua.<br />
Compren<strong>de</strong>r por qué suce<strong>de</strong> la electrolisis. Enseñar que la electrólisis es una fuente <strong>de</strong> energía.<br />
Material:<br />
1 Fuente <strong>de</strong> po<strong>de</strong>r (ajustada a 4,5 voltios)<br />
1.5 Metro <strong>de</strong> cable eléctrico común<br />
1 Tijeras<br />
2 Bananas<br />
Cerillos<br />
Bicarbonato <strong>de</strong> sodio<br />
Agua<br />
2 Tubo <strong>de</strong> ensaye <strong>de</strong> 12 cm.<br />
Vaso <strong>de</strong> precipitado<br />
Introducción:<br />
La electrolisis es el proceso <strong>de</strong> <strong>de</strong>scomposición <strong>de</strong> una sustancia por medio <strong>de</strong> la electricidad. La palabra electrólisis significa<br />
"<strong>de</strong>strucción por la electricidad".<br />
La mayoría <strong>de</strong> los compuestos inorgánicos y algunos <strong>de</strong> los orgánicos se ionizan al fundirse o cuando se disuelven en agua u otros<br />
líquidos; es <strong>de</strong>cir, sus moléculas se disocian en especies químicas cargadas positiva y negativamente que tienen la propiedad <strong>de</strong><br />
conducir la corriente eléctrica. Si se coloca un par <strong>de</strong> electrodos en una disolución <strong>de</strong> un electrolito (compuesto ionizable) y se<br />
conecta una fuente <strong>de</strong> corriente continua entre ellos, los iones positivos <strong>de</strong> la disolución se mueven hacia el electrodo negativo y<br />
los iones negativos hacia el positivo. Al llegar a los electrodos, los iones pue<strong>de</strong>n ganar o per<strong>de</strong>r electrones y transformarse en<br />
átomos neutros o moléculas; la naturaleza <strong>de</strong> las reacciones <strong>de</strong>l electrodo <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la diferencia <strong>de</strong> potencial o voltaje aplicado.<br />
La acción <strong>de</strong> una corriente sobre un electrolito pue<strong>de</strong> enten<strong>de</strong>rse con un ejemplo sencillo con la electrolisis <strong>de</strong>l agua. Si el agua se<br />
disuelve en bicarbonato <strong>de</strong> sodio, se disocia en iones oxigeno positivos e iones hidrógeno negativos. Al aplicar una diferencia <strong>de</strong><br />
potencial a los electrodos, los iones oxigeno se mueven hacia el electrodo negativo, se <strong>de</strong>scargan, y se <strong>de</strong>positan en el electrodo<br />
como átomos <strong>de</strong> oxigeno. Los iones hidrogeno, al <strong>de</strong>scargarse en el electrodo positivo, se convierten en átomos <strong>de</strong> hidrógeno. Esta<br />
reacción <strong>de</strong> <strong>de</strong>scomposición producida por una corriente eléctrica se llama electrólisis.<br />
En todos los casos, la cantidad <strong>de</strong> material que se <strong>de</strong>posita en cada electrodo al pasar la corriente por un electrolito sigue la ley<br />
enunciada por el químico físico británico Michael Faraday. Esta ley afirma que la cantidad <strong>de</strong> material <strong>de</strong>positada en cada<br />
electrodo es proporcional a la intensidad <strong>de</strong> la corriente que atraviesa el electrolito, y que las masas <strong>de</strong> distintos elementos<br />
<strong>de</strong>positados por la misma cantidad <strong>de</strong> electricidad son directamente proporcionales a las masas equivalentes <strong>de</strong> los elementos, es<br />
<strong>de</strong>cir, a sus masas atómicas divididas por sus valencias.<br />
Todos los cambios químicos implican una reagrupación o reajuste <strong>de</strong> los electrones en las sustancias que reaccionan; por eso pue<strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>cirse que dichos cambios son <strong>de</strong> carácter eléctrico.<br />
Desarrollo experimental:<br />
El bicarbonato sódico servirá para potenciar el proceso <strong>de</strong> separación <strong>de</strong>l hidrógeno y el oxígeno. La eficiencia <strong>de</strong>l proceso podría<br />
ser mayor aún si empleáramos <strong>de</strong>terminadas sustancias en vez <strong>de</strong>l bicarbonato, pero éstas resultan estar también entre las más<br />
peligrosas, como por ejemplo el ácido sulfúrico.<br />
1) Añadiremos pues un par <strong>de</strong> cucharaditas <strong>de</strong> bicarbonato <strong>de</strong> sodio a un vaso <strong>de</strong> precipitado <strong>de</strong> 100 ml. y agitamos hasta que el<br />
bicarbonato se disuelva en ella.<br />
2) En un vaso <strong>de</strong> agua <strong>de</strong>bemos introducir los dos tubos <strong>de</strong> ensayo, que han <strong>de</strong> estar boca abajo y completamente llenos <strong>de</strong> agua, <strong>de</strong><br />
modo que no que<strong>de</strong> ninguna burbuja <strong>de</strong> aire en su interior. (Para conseguirlo, po<strong>de</strong>mos llenarlos boca arriba hasta que el agua se<br />
<strong>de</strong>rrame y entonces tapar su boca fuertemente con un <strong>de</strong>do mientras les damos la vuelta y los sumergimos en el vaso). Es<br />
importante que no que<strong>de</strong>n burbujas <strong>de</strong> aire <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> los tubos.<br />
112
3) Con unas tijeras cortamos dos trozos <strong>de</strong> cable y pelamos sus extremos. Atornillamos un cocodrilo a un extremo <strong>de</strong>l primer cable.<br />
Repetimos la operación con el otro cocodrilo y el segundo cable.<br />
4) Después introducimos el extremo libre <strong>de</strong> uno <strong>de</strong> los cables <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> uno <strong>de</strong> los tubos <strong>de</strong> ensayo, aproximadamente a media<br />
altura. Disponemos <strong>de</strong> igual modo el segundo cable con el segundo tubo.<br />
5) Una vez que tenemos cada cable insertado <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> su correspondiente tubo, fijamos los extremos provistos <strong>de</strong> bananas en la<br />
fuente <strong>de</strong> po<strong>de</strong>r. Tenemos así un cable que enlaza la terminal positiva con un tubo, y otro que enlaza el negativo con el otro tubo.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
El cable positivo liberará oxígeno en su tubo, mientras que el negativo liberará hidrógeno en el suyo. Nos daremos cuenta al ver<br />
subir diminutas burbujas en cada tubo, especialmente el <strong>de</strong>l hidrógeno. Llegará un momento en que será visible con toda claridad<br />
que el nivel <strong>de</strong>l agua en el techo <strong>de</strong> cada tubo ya no llega hasta el límite, sino que ha <strong>de</strong>scendido, <strong>de</strong>splazado por la presencia <strong>de</strong><br />
gas que se ha acumulado allí.<br />
El tiempo necesario para obtener resultados apreciables a simple vista pue<strong>de</strong> variar en función <strong>de</strong> diversos parámetros, entre ellos<br />
el voltaje <strong>de</strong> la pila. Una hora suele ser un tiempo mínimo razonable <strong>de</strong> espera. Si queremos acelerar el proceso, po<strong>de</strong>mos ajustar a<br />
un voltaje mayor.<br />
Cuando <strong>de</strong>mos por terminado el experimento, po<strong>de</strong>mos realizar una comprobación final. Tirando un cerillo encendido <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l<br />
tubo <strong>de</strong>l hidrógeno en el instante en que lo saquemos <strong>de</strong>l agua y comencemos a ponerlo boca arriba, escucharemos un diminuto<br />
estampido.<br />
Si hacemos lo mismo con el <strong>de</strong>l oxígeno pero con un cerillo recién apagado, veremos como <strong>de</strong> repente resplan<strong>de</strong>ce. Para manejar<br />
cada tubo <strong>de</strong>l mejor modo, conviene recordar que el hidrógeno es 14 veces más ligero que el aire, y que el oxígeno es un diez por<br />
ciento más pesado que el aire.<br />
En el experimento realizado, la electricidad ha <strong>de</strong>scompuesto agua en hidrógeno y oxígeno. Este proceso <strong>de</strong> <strong>de</strong>scomposición <strong>de</strong><br />
una sustancia por medio <strong>de</strong> la electricidad, la electrólisis, es <strong>de</strong> gran utilidad para diversas activida<strong>de</strong>s industriales.<br />
El agua está formada por dos átomos <strong>de</strong> hidrógeno y uno <strong>de</strong> oxígeno. Por ello, si el experimento se ha realizado correctamente, en<br />
el tubo <strong>de</strong>l hidrógeno se habrá acumulado el doble <strong>de</strong> gas que en el <strong>de</strong>l oxígeno.<br />
113
Objetivo:<br />
Estudiar la asociación <strong>de</strong> resistores en paralelo.<br />
Material:<br />
3 resistores <strong>de</strong> 100 W,<br />
3 lámparas <strong>de</strong> 12 V,<br />
Sensor <strong>de</strong> corriente<br />
Sensor <strong>de</strong> voltaje<br />
Conexiones eléctricas con pino <strong>de</strong> banana<br />
Conexiones eléctricas con garra <strong>de</strong> jacaré<br />
Interfase<br />
Sensor <strong>de</strong> voltaje<br />
Práctica 60<br />
ASOCIACIÓN <strong>DE</strong> RESISTORES EN PARALELO<br />
Introducción:<br />
En los aparatos con los cuales convivimos diariamente, existen diversos tipos <strong>de</strong> circuitos eléctricos. Entre los más sencillos están<br />
aquellos que presentan una fuente eléctrica, una llave o interruptor y un solo tipo <strong>de</strong> componente eléctrico. Cuando este<br />
componente es un resistor, como en el caso <strong>de</strong> algunas duchas, lámparas y algunos calentadores, llamamos el circuito <strong>de</strong> resistivo.<br />
Los circuitos resistivos se tornan más complejos cuando involucran más <strong>de</strong> un resistor, pudiendo existir dos formas <strong>de</strong><br />
combinación <strong>de</strong> estos resistores. Son las llamadas asociaciones en serie y en paralelo.<br />
En la asociación en paralelo, si <strong>de</strong>sconectamos uno <strong>de</strong> los componentes, los <strong>de</strong>más componentes continúan conectados, en este tipo<br />
<strong>de</strong> asociación, todo ocurre, como si cada componente estuviese conectado directamente a la fuente, funcionado<br />
in<strong>de</strong>pendientemente unos <strong>de</strong> otros.<br />
Desarrollo Experimental:<br />
1) Use las tres lámparas y monte la configuración indicada en la figura 1 y con los tres resistores la configuración indicada en la<br />
figura 2.<br />
Figura 1 Figura 2<br />
2) Use, en este caso, una fuente <strong>de</strong> alimentación y el interruptor indicado, será la propia llave <strong>de</strong>l panel <strong>de</strong> control.<br />
3) Acompañe la tabla 1 con las acciones sugeridas, para el conjunto <strong>de</strong> lámparas y posteriormente para el conjunto <strong>de</strong> resistores.<br />
4) Observe atentamente, las alteraciones ocurridas y anote en su espacio propio <strong>de</strong> la tabla. Para las medidas <strong>de</strong> tensión, observe las<br />
indicaciones <strong>de</strong> las figuras 3 y 4.<br />
Tabla 1: Alteraciones ocurridas<br />
114
Acción sugerida Resultado observado o medido para<br />
1)Encienda la fuente <strong>de</strong> po<strong>de</strong>r Lámparas Resistores<br />
2) Coloque el selector <strong>de</strong> fuente<br />
en 50% (6V)<br />
1) Coloque el selector <strong>de</strong> fuente<br />
a 100 % (12 V)<br />
2) Desconecte uno <strong>de</strong> los<br />
componentes<br />
3) Con el sensor en Volts evalué<br />
el voltaje entre los puntos<br />
A y E=<br />
B y F=<br />
C y G=<br />
D y H=<br />
115<br />
A y E=<br />
B y F=<br />
C y G=<br />
D y H=<br />
5) Realiza los procedimientos <strong>de</strong> Inicio, y conexión <strong>de</strong> la interfase con la computadora <strong>de</strong>scritos en “Guía De Experimentación<br />
Con Interfase, Sensores Y Computadora (Software Excel)”, Inicia el Programa Excel para la adquisición <strong>de</strong> datos con el Voltaje.<br />
Determina el intervalo <strong>de</strong> tiempo para las mediciones por medio <strong>de</strong>l temporizado.<br />
Debemos recordar que:<br />
Para medir voltajes: se coloca el sensor en paralelo con el circuito.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1. ¿Cuál es la diferencia entre los montajes mostrados en las figuras 1 y 2?.<br />
2. ¿Cómo saber en cada una <strong>de</strong> ellas, <strong>de</strong> manera sencilla si el circuito está conectado?.<br />
3. ¿Cuál el voltaje aproximado abastecido por la fuente, cuándo su selector está en 50% y 100%? ¿Cómo po<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>terminarlo<br />
con mayor exactitud y precisión?.<br />
4. ¿Qué ocurre cuando <strong>de</strong>sconectamos uno <strong>de</strong> los componentes? ¿Cuáles son las implicaciones <strong>de</strong> este hecho?.<br />
5. ¿Qué po<strong>de</strong>mos afirmar respecto <strong>de</strong> las tensiones sobre cada uno <strong>de</strong> los componentes y <strong>de</strong> la tensión total sobre el sistema?.
Práctica 61<br />
ASOCIACIÓN <strong>DE</strong> RESISTORES EN SERIE<br />
Objetivo:<br />
Estudiar la asociación <strong>de</strong> resistores en serie y verificar la tensión, intensidad <strong>de</strong> corriente y resistencia <strong>de</strong>l conjunto.<br />
Material:<br />
3 resistores <strong>de</strong> 100 W,<br />
3 lámparas <strong>de</strong> 12V,<br />
Sensor <strong>de</strong> corriente<br />
Sensor <strong>de</strong> voltaje<br />
Conexiones eléctricas banana<br />
Conexiones eléctricas caimán<br />
Interfase<br />
Sensor Voltaje<br />
Introducción:<br />
En la asociación en serie, si <strong>de</strong>sconectamos uno <strong>de</strong> los componentes, todo el conjunto se <strong>de</strong>sconecta (este hecho es visible en las<br />
lámparas). Esto ocurre porque en esa asociación la corriente pasa componente por componente y, para llegar al próximo necesita,<br />
primero pasar por el anterior.<br />
Desarrollo experimental:<br />
1) Monte la configuración como indica la Figura 1, usando las tres lámparas y con los tres resistores la indicada en la Figura 2.<br />
Figura 1 Figura 2<br />
2) Use la fuente <strong>de</strong>l alimentación y en este caso el interruptor indicado es la propia llave <strong>de</strong>l panel <strong>de</strong> control.<br />
3) Acompañe, en la Tabla 1 las acciones sugeridas, ejecutándolas primero para el conjunto <strong>de</strong> lámparas y, posteriormente, para el<br />
conjunto <strong>de</strong> resistores. Observe atentamente las alteraciones ocurridas y anote en el espacio a<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong> la Tabla1. Para las<br />
medidas <strong>de</strong> tensión y corriente, observe las indicaciones <strong>de</strong> las Figuras 3 y 4.<br />
Figura 3 Figura 4<br />
116
Tabla 1<br />
Acción sugerida Resultado observado o medido para<br />
1)Encienda la fuente <strong>de</strong> po<strong>de</strong>r Lámparas Resistores<br />
2) Coloque el selector <strong>de</strong> fuente<br />
en 50% (6V)<br />
1) Coloque el selector <strong>de</strong> fuente<br />
a 100 % (12 V)<br />
2) Desconecte uno <strong>de</strong> los<br />
componentes<br />
3) Con el sensor en Volts evalúe<br />
el voltaje entre los puntos<br />
X y A=<br />
A y B=<br />
B y C=<br />
C y D=<br />
117<br />
X y A=<br />
A y B=<br />
B y C=<br />
C y D=<br />
4) Realiza los procedimientos <strong>de</strong> Inicio, y conexión <strong>de</strong> la interfase con la computadora <strong>de</strong>scritos en “Guía De Experimentación<br />
Con Interfase, Sensores Y Computadora (Software Excel)”, Inicia el Programa Excel para la adquisición <strong>de</strong> datos con el voltaje.<br />
Determina el intervalo <strong>de</strong> tiempo para las mediciones por medio <strong>de</strong>l temporizador.<br />
5) Debemos recordar que:<br />
Para medir voltajes: se coloca el sensor en paralelo con el circuito.<br />
6) Teniendo como referencia, los procedimientos realizados y en los datos colocados en la tabla 1, responda el cuestionario.<br />
Resultados y conclusiones<br />
1. ¿Cuál es la diferencia entre los montajes mostrados en las Figuras 1 y 2?.<br />
2. ¿Cómo saber, <strong>de</strong> forma sencilla, si en cada uno <strong>de</strong> ellos, el circuito está conectado?<br />
3. ¿Cuál es el voltaje, aproximado, <strong>de</strong> abastecimiento <strong>de</strong> la fuente, cuando su selector está en 50%?¿y cuándo está en 100%?¿Cómo<br />
po<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>terminarlo con exactitud y precisión?.<br />
4. ¿Qué ocurre cuando <strong>de</strong>sconectamos uno <strong>de</strong> los componentes?¿Cuáles son las implicaciones <strong>de</strong> este hecho?.<br />
5. ¿Qué po<strong>de</strong>mos afirmar, al respecto <strong>de</strong> las tensiones sobre cada uno <strong>de</strong> los componentes y <strong>de</strong> la tensión total sobre el sistema?.
Práctica 62<br />
EL MAGNETISMO Y LA ELECTRICIDAD<br />
Objetivo:<br />
Demostrar que la variación <strong>de</strong>l flujo magnético en el interior <strong>de</strong> un solenoi<strong>de</strong>, produce una corriente eléctrica.<br />
Materiales y reactivos:<br />
Sensor <strong>de</strong> voltaje<br />
1 imán en forma <strong>de</strong> pastilla<br />
2 cables pequeños<br />
Conexiones Banana<br />
1 solenoi<strong>de</strong><br />
Interfase<br />
Computadora<br />
Sensor <strong>de</strong> Voltaje<br />
Introducción:<br />
En 1831 el científico inglés M.Faraday <strong>de</strong>scubrió el “Fenómeno <strong>de</strong> Inducción Electromagnética”. Gracias a este <strong>de</strong>scubrimiento,<br />
fue posible construir, los dínamos, que son aparatos cuyo funcionamiento se basa en el fenómeno <strong>de</strong> la Inducción Electromagnética<br />
y que transforman energía mecánica (<strong>de</strong> una caída <strong>de</strong> agua) en energía eléctrica.<br />
En la medida en que aproximamos el solenoi<strong>de</strong> <strong>de</strong>l polo <strong>de</strong>l imán, crece el número <strong>de</strong> líneas <strong>de</strong> campo magnético que penetran en<br />
su interior. Esta variación <strong>de</strong>l flujo magnético <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l solenoi<strong>de</strong>, induce una tensión o diferencia <strong>de</strong> potencial entre sus<br />
terminales.<br />
Desarrollo experimental:<br />
1) Monte el siguiente circuito<br />
Sensor Sensor<br />
Figura 1 Figura 2<br />
2) Varíe rápidamente la distancia <strong>de</strong>l solenoi<strong>de</strong> al imán, produciendo oscilaciones verticales con pocos centímetros <strong>de</strong> amplitud<br />
(Figura 2).<br />
3) Realiza los procedimientos <strong>de</strong> “Guía <strong>de</strong> experimentación Con Interfase, sensores y Computadora”, inicia el Programa Excel<br />
para la adquisición <strong>de</strong> datos con el sensor Voltaje. Determina el intervalo <strong>de</strong> tiempo para las mediciones por medio <strong>de</strong>l<br />
temporizador.<br />
4) Mientras se está variando la distancia entre el solenoi<strong>de</strong> y el imán, observe las lecturas <strong>de</strong>l sensor.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
1) ¿Qué suce<strong>de</strong> con el sensor cuando el solenoi<strong>de</strong> está <strong>de</strong>scansando sobre el imán?<br />
2) ¿Qué suce<strong>de</strong> con el sensor cuando el solenoi<strong>de</strong> se está moviendo en sus proximida<strong>de</strong>s?<br />
3) Observe la Figura:<br />
Figura 3<br />
El imán está en la posición X = 0<br />
Imagine la espira <strong>de</strong> un solenoi<strong>de</strong> partiendo <strong>de</strong> X = 00 y aproximándose al imán.<br />
118
4) Cuándo, la espira está en X = 00 ¿existe alguna línea <strong>de</strong> campo magnético “penetrando” en su interior?<br />
5) Cuando la espira se está aproximando al polo <strong>de</strong>l imán ¿existe alguna variación en el número <strong>de</strong> líneas <strong>de</strong> campo magnético que<br />
“penetren” en su interior?¿Esta cantidad <strong>de</strong> líneas que “penetran” en la espira va aumentando o disminuyendo? Observe la Ley <strong>de</strong><br />
la inducción <strong>de</strong> Faraday y <strong>de</strong>scriba lo que surge entre las extremida<strong>de</strong>s A y B <strong>de</strong> la espira.<br />
6) Cuando la espira llega al polo <strong>de</strong>l imán y permanece parada, ¿Existe variación en el número <strong>de</strong> líneas <strong>de</strong> campo magnético que<br />
“penetran” en su interior? ¿Aparece f.e.m. inducida en la espira en esta condición?<br />
7) Luego <strong>de</strong> haber estacionado junto al polo <strong>de</strong>l imán, la espira sale <strong>de</strong>l reposo y comienza a alejarse <strong>de</strong>l polo <strong>de</strong>l imán. ¿En la<br />
medida en que la espira se aleja hay variación en el número <strong>de</strong> líneas <strong>de</strong>l campo magnético que “penetran” en el interior <strong>de</strong>l<br />
solenoi<strong>de</strong>?¿Esta cantidad <strong>de</strong> líneas aumenta o disminuye? Observe la Ley <strong>de</strong> Inducción <strong>de</strong> Faraday y <strong>de</strong>scriba lo que suce<strong>de</strong> entre<br />
las extremida<strong>de</strong>s A y B <strong>de</strong> la espira.<br />
Como el Sensor (resistencia interna muy baja, prácticamente nula) está conectado al solenoi<strong>de</strong>, esta diferencia <strong>de</strong> potencial<br />
inducida, queda <strong>de</strong>nunciada por el pasaje <strong>de</strong> una corriente eléctrica en su interior, indicada por una medida en la escala.<br />
Cuando no hay movimiento relativo, el solenoi<strong>de</strong> está en el infinito o estacionado junto al imán, no hay variación <strong>de</strong>l flujo<br />
magnético en el interior <strong>de</strong>l solenoi<strong>de</strong> y, por lo tanto no aparece la fuerza electromotriz inducida, que provocaría el movimiento <strong>de</strong><br />
las cargas eléctricas. Al paso que, al sacar el solenoi<strong>de</strong> <strong>de</strong> la condición <strong>de</strong> reposo y el alejamiento <strong>de</strong>l imán, el número <strong>de</strong> líneas <strong>de</strong><br />
campo magnético en el interior <strong>de</strong>l solenoi<strong>de</strong>, <strong>de</strong>crece y esta variación <strong>de</strong>l flujo magnético también induce una f.e.m. que produce<br />
una corriente eléctrica acusada por el sensor.<br />
Entonces, cuando variamos constantemente el flujo magnético en una bobina, ella produce corriente eléctrica y tenemos el<br />
dispositivo funcionando como un generador <strong>de</strong> corriente continua o dínamo. Cuando usamos el proceso en sentido inverso (una<br />
corriente circulando en un dispositivo apropiado) el mismo producirá un campo magnético (inductor) en su entorno, lo cual hará<br />
girar un rotor (inducido) y tendremos un motor eléctrico.<br />
119
Práctica 63<br />
MAGNETIZACIÓN<br />
Objetivo:<br />
Mostrar algunas formas <strong>de</strong> magnetización y <strong>de</strong>terminar factores que influyen en la <strong>de</strong>smagnetización <strong>de</strong> un material.<br />
Material:<br />
1 núcleo<br />
1 clavo<br />
1 imán<br />
1 lámpara <strong>de</strong> alcohol<br />
1 limalla <strong>de</strong> hierro<br />
1 solenoi<strong>de</strong><br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación<br />
2 conexiones caimán<br />
2 Conexión banana<br />
Introducción:<br />
Los átomos en un material magnético se agrupan en regiones magnéticas microscópicas llamadas dominios. Se consi<strong>de</strong>ra que<br />
todos los átomos <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> este dominio están magnéticamente polarizados a lo largo <strong>de</strong>l eje cristalino.<br />
En un material no magnetizado los dominios, están orientados en direcciones al azar.<br />
Esta teoría <strong>de</strong>l magnetismo es muy amplia y útil, ya que ofrece una explicación <strong>de</strong> muchos efectos magnéticos observados en el<br />
material. Por ejemplo, una barra <strong>de</strong> hierro no magnetizada pue<strong>de</strong> transformarse en un imán simplemente sosteniéndolo cerca <strong>de</strong><br />
otro imán o en contacto con el. Este proceso se llama inducción magnética.<br />
El magnetismo inducido suele ser temporal y cuando el campo se suprime paulatinamente los dominios se vuelven a <strong>de</strong>sorientar.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Parte l<br />
1) Preparar el solenoi<strong>de</strong> para ser conectado en la fuente <strong>de</strong> alimentación.<br />
2) Observación: no mantenga, el solenoi<strong>de</strong> conectado a la fuente durante mucho tiempo.<br />
3) Coloque el clavo <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l solenoi<strong>de</strong> y espere algún tiempo.<br />
4) Aproxime el clavo a la limalla <strong>de</strong> hierro y verifique si está magnetizado.<br />
5) Someta este cuerpo a los choques mecánicos y compruebe si el cuerpo se <strong>de</strong>smagnetizó, aproximándolo a la limalla <strong>de</strong> hierro.<br />
6) Magnetice el cuerpo nuevamente y sométalo a la acción <strong>de</strong>l calor, utilizando <strong>de</strong> la lamparilla.<br />
7) Aproxime la limalla <strong>de</strong> hierro.<br />
Parte II<br />
1) Tome un pedazo <strong>de</strong> hierro e imántelo, por frotación, con un imán.<br />
2) Repita los procedimientos 3, 4 y 5<br />
Resultados y conclusiones:<br />
120
1. Cuándo calentamos un pedazo <strong>de</strong> hierro magnetizado, ¿Qué suce<strong>de</strong> con sus propieda<strong>de</strong>s magnéticas?<br />
2. ¿Por qué las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> un cuerpo son eliminadas cuando este es calentado?<br />
3. ¿De qué manera los choques mecánicos influyen en la <strong>de</strong>smagnetización <strong>de</strong> un material?<br />
Comentarios<br />
Cuando un material ferromagnético (un pedazo <strong>de</strong> hierro) sufre magnetización, sus dominios se alinean, ocurriendo el<br />
acoplamiento <strong>de</strong> muchos dominios, resultando en un imán único, <strong>de</strong> mayores dimensiones y campo magnético intenso. Por otro<br />
lado, cuando este pedazo <strong>de</strong> hierro sufre <strong>de</strong>smagnetización, los polos N y S <strong>de</strong> sus dominios se atraen recíprocamente, sin ninguna<br />
orientación predominante, haciendo con que el campo magnético resultante sea débil.<br />
En el caso <strong>de</strong> que sometamos un material magnetizado, a los choques mecánicos, veremos que el mismo per<strong>de</strong>rá sus propieda<strong>de</strong>s<br />
magnéticas, lo mismo ocurrira cuando lo calentamos.<br />
Tanto en uno como en otro caso, provocamos un aumento general en la vibración <strong>de</strong> los átomos y dominios <strong>de</strong>l material y, en<br />
consecuencia, favorecemos el <strong>de</strong>saliño <strong>de</strong> sus dominios magnéticos. Como resultado promovemos su <strong>de</strong>smagnetización. A la<br />
temperatura anteriormente mencionada, <strong>de</strong> la cual un material pier<strong>de</strong> sus propieda<strong>de</strong>s magnéticas es <strong>de</strong>nominada “Temperatura<br />
Curie” y correspon<strong>de</strong> al límite práctico en que se pue<strong>de</strong> utilizar un imán en un dispositivo cualquiera (eléctrico, por ejemplo).<br />
Algunos materiales son difíciles <strong>de</strong> magnetizar, mas, una vez imantados difícilmente pier<strong>de</strong>n la imantación – los imanes son<br />
permanentes como el acero duro. Ya otros materiales son <strong>de</strong> imantación prácticamente instantánea, pero también la pier<strong>de</strong>n con<br />
gran facilidad (como en el caso <strong>de</strong>l acero dulce) y ese es muy usado en los electroimanes, en que el magnetismo necesita ser<br />
activado o <strong>de</strong>sactivado rápidamente (llaves magnéticas, por ejemplo).<br />
121
Práctica 64<br />
CAMPO MAGNÉTICO <strong>DE</strong> UN SOLENOI<strong>DE</strong><br />
Objetivo:<br />
Definir la forma <strong>de</strong> las líneas <strong>de</strong> campo magnético, creadas por la corriente eléctrica que pasa a través <strong>de</strong> un solenoi<strong>de</strong>, y comparar<br />
estas líneas <strong>de</strong> fuerza con las líneas <strong>de</strong> campo magnético, producidas por un imán permanente en forma <strong>de</strong> barra.<br />
Material:<br />
1 solenoi<strong>de</strong> con núcleo<br />
1 imán en forma <strong>de</strong> barra<br />
Limalla <strong>de</strong> hierro<br />
2 cables tipo banana<br />
2 cables caimán<br />
Fuente <strong>de</strong> alimentación regulable<br />
1 hoja <strong>de</strong> papel<br />
1 ban<strong>de</strong>ja <strong>de</strong> plástico<br />
Introducción:<br />
En 1820 el físico dinamarqués Han Christian Oersted, <strong>de</strong>scubrió una relación entre fenómenos magnéticos y eléctricos. En sus<br />
experimentos, notó que todo conductor al ser recorrido por cargas, crea en su entorno, un campo magnético.<br />
Cuando un conductor, es enrollado en forma <strong>de</strong> solenoi<strong>de</strong> o bobina, este efecto magnético, generado por la corriente eléctrica, es<br />
reforzado.<br />
Desarrollo experimental:<br />
Experimento 1<br />
Forma De Las Líneas De Campo Producidas Por Un Solenoi<strong>de</strong><br />
1) Asegúrese si todo el equipo está <strong>de</strong>sconectado.<br />
2) Coloque la hoja <strong>de</strong> papel sobre la ban<strong>de</strong>ja <strong>de</strong> plástico y, este conjunto, encima <strong>de</strong>l solenoi<strong>de</strong> (Figura 1).<br />
3) Distribuya en toda la hoja la limalla <strong>de</strong> hierro hasta quedar bien fina.<br />
4) Derrame pequeña cantidad <strong>de</strong> limalla <strong>de</strong> hierro.<br />
5) Asegúrese, que la fuente <strong>de</strong> alimentación, el botón regulable <strong>de</strong> la tensión esté en la posición 0% y luego conecte la llave<br />
aumentando gradualmente hasta 12 volts.<br />
6) Derrame, nuevamente, limalla sobre toda la superficie <strong>de</strong>l papel, dando suaves golpes en la ban<strong>de</strong>ja, facilitándole a la misma, la<br />
acomodación.<br />
7) Desconecte el equipo, luego <strong>de</strong> la limalla estar acomodada.<br />
8) Cui<strong>de</strong> que el experimento no rebase los 10 minutos.<br />
Figura 1<br />
Experimento 2<br />
Definición De La Forma De Las Líneas De Campo Magnético Producido Por Un Imán En Forma De Barra.<br />
1) Monte la configuración.<br />
Figura 2<br />
2) Derrame, pequeñas cantida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> limalla <strong>de</strong> hierro sobre toda la superficie <strong>de</strong>l papel, y produzca, con el <strong>de</strong>do pequeños golpes<br />
mecánicos en la ban<strong>de</strong>ja, para facilitar la mejor acomodación <strong>de</strong> la misma, sobre la acción <strong>de</strong>l imán.<br />
122
Resultados y conclusiones:<br />
1) ¿Que ocurre cuándo la corriente atraviesa un conductor?<br />
2) Luego <strong>de</strong> realizar el procedimiento 6 <strong>de</strong> la Parte 1, dibujar en un papel, las formas <strong>de</strong> las líneas <strong>de</strong> campo producidas por el<br />
solenoi<strong>de</strong>.<br />
3) Luego <strong>de</strong> realizar el procedimiento 2 <strong>de</strong> la Parte 2, dibujar en un papel las formas <strong>de</strong> las líneas <strong>de</strong> campo producidas por el imán.<br />
Al comparar las líneas <strong>de</strong> campo producidas por un imán y por un solenoi<strong>de</strong>, llegamos a la conclusión, que la forma <strong>de</strong> las líneas<br />
<strong>de</strong> campo producidas por la corriente eléctrica en un solenoi<strong>de</strong>, es igual a la forma <strong>de</strong> las líneas <strong>de</strong> campo magnético producidas<br />
por un imán en forma <strong>de</strong> barra.<br />
Razón por la cual <strong>de</strong>cimos que, un solenoi<strong>de</strong> atravesado por una corriente eléctrica, posee cualitativamente el mismo<br />
comportamiento magnético <strong>de</strong> un imán en forma <strong>de</strong> barra.<br />
Son hechas las siguientes observaciones experimentales:<br />
La práctica <strong>de</strong> la Parte 2, pue<strong>de</strong> ser realizada solamente con un imán pequeño, pero una asociación <strong>de</strong> varios imanes mejora<br />
bastante la visualización <strong>de</strong>l efecto.<br />
Se recomienda que en la Parte l, el montaje no que<strong>de</strong> conectado por más <strong>de</strong> 10 minutos.<br />
123
Práctica 65<br />
TRANSFORMACIÓN <strong>DE</strong> ENERGÍA SOLAR A ELECTRICA<br />
Objetivo:<br />
Conocer como se genera la electricidad a través <strong>de</strong> celdas fotovoltaicas, visualizar como varia la energía eléctrica generada por la<br />
celda solar respecto a la intensidad luminosa.<br />
Reconocer la energía solar como una seria alternativa <strong>de</strong> energía eléctrica.<br />
Material:<br />
Celda solar <strong>de</strong> 4.5 V<br />
Motor<br />
Propela<br />
Conjunto <strong>de</strong> focos <strong>de</strong> diferentes watts<br />
Cables <strong>de</strong> conexión<br />
Base para focos<br />
Base <strong>de</strong> motor<br />
Sensor <strong>de</strong> voltaje<br />
Interfase y computadora<br />
Introducción<br />
Celda Solar<br />
Las células o celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, ya sea directamente vía el efecto<br />
fotovoltaico, o indirectamente mediante la previa conversión <strong>de</strong> energía solar a calor o a energía química.<br />
La forma más común <strong>de</strong> las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que inci<strong>de</strong> sobre un dispositivo<br />
semiconductor <strong>de</strong> dos capas produce una diferencia <strong>de</strong>l fotovoltaje o <strong>de</strong>l potencial entre las capas. Este voltaje es capaz <strong>de</strong> conducir<br />
una corriente a través <strong>de</strong> un circuito externo <strong>de</strong> modo <strong>de</strong> producir trabajo útil.<br />
Desarrollo experimental:<br />
1) Procedimiento interfase<br />
Experimento 1<br />
1) Conecte los caimanes <strong>de</strong>l sensor <strong>de</strong> voltaje directamente a las terminales <strong>de</strong> la celda solar durante este tiempo la celda <strong>de</strong>be estar<br />
protegida <strong>de</strong> cualquier elemento emisor <strong>de</strong> luz.<br />
2) Descubra la celda y por medio <strong>de</strong>l software registre en tiempo real los valores generados <strong>de</strong> voltaje por la celda solar.<br />
3) Haciendo uso <strong>de</strong> la fuente <strong>de</strong> po<strong>de</strong>r y <strong>de</strong> los cables <strong>de</strong> conexión, conecte una bombilla <strong>de</strong> 40 W, en el extremo contrario <strong>de</strong> la<br />
mesa <strong>de</strong> trabajo respecto <strong>de</strong> la celda solar.<br />
4) Acerque la bombilla hacia la celda solar gradualmente registrándose los valores por medio <strong>de</strong> la interfase esperando por cada<br />
acercamiento que el valor <strong>de</strong> voltaje generado por la celda se estabilice.<br />
5) Repita este mismo experimento con las otras bombillas.<br />
Experimento 2<br />
1) Monte el motor sobre su base.<br />
2) Realice una conexión entre el motor y la celda solar cubierta.<br />
3) Realice los pasos 3 <strong>de</strong>l experimento 1.<br />
4) Acerque la bombilla hacia la celda solar y verifique la reacción en el motor.<br />
Resultados y conclusiones:<br />
Por medio <strong>de</strong> los datos obtenidos con la interfase <strong>de</strong>termine la relación entre la intensidad luminosa y el voltaje recibidos por la<br />
celda solar.<br />
Desarrolla un ensayo acerca <strong>de</strong>l uso <strong>de</strong> la celda solar como alternativa energética no contaminante.<br />
124
RIEL <strong>DE</strong> SOPORTE-PIE (LONGITUD:30 cm.)<br />
PIEZA <strong>DE</strong> UNION <strong>DE</strong> RIELES<br />
ANEXO<br />
Perforaciones con tornillos ajustables para<br />
varillas <strong>de</strong> soporte.<br />
En el lado inferior un tornillo <strong>de</strong> apriete para<br />
el soporte <strong>de</strong> la pinza <strong>de</strong> mesa con ranura.<br />
Rosca para tornillo <strong>de</strong> apriete por el lado<br />
inferior.<br />
Utilización con la pieza <strong>de</strong> unión para rieles.<br />
Perforaciones con tornillo <strong>de</strong> apriete para<br />
varilla <strong>de</strong> soporte 25 cm. con capuchones <strong>de</strong><br />
plástico.<br />
Utilización como pie <strong>de</strong> soporte<br />
Varilla <strong>de</strong> soporte <strong>de</strong> 25 cm. con capuchones<br />
<strong>de</strong> plástico (capuchones <strong>de</strong>smontables)<br />
Pieza <strong>de</strong> unión para rieles como juntura para dos rieles <strong>de</strong> soporte (plano inclinado, banco óptico).<br />
Longitud: 60 cm.
PINZA <strong>DE</strong> MESA<br />
JINETE PARA VARILLAS <strong>DE</strong> SOPORTE<br />
JINETE CON RANURA<br />
ANEXO<br />
Pinza <strong>de</strong> mesa con ranura<br />
En el lado inferior <strong>de</strong>l riel <strong>de</strong> soporte un tornillo <strong>de</strong><br />
apriete para el soporte <strong>de</strong> la pinza <strong>de</strong> mesa con<br />
ranura (el riel <strong>de</strong> soporte por lo tanto pue<strong>de</strong> ser<br />
fijable sobre un tablero <strong>de</strong> mesa)<br />
Para colocar y fijar sobre rieles <strong>de</strong> soporte.<br />
Para el soporte <strong>de</strong> varillas <strong>de</strong> soporte<br />
Para colocar y fijar sobre rieles <strong>de</strong> soporte y<br />
para el soporte <strong>de</strong> varillas <strong>de</strong> soporte, pantallas,<br />
escala.
NUEZ<br />
ANEXO<br />
Perforaciones con tornillo <strong>de</strong> apriete para<br />
varillas <strong>de</strong> soporte<br />
Perforaciones con tornillo <strong>de</strong> apriete para<br />
varillas <strong>de</strong> soporte y anillos <strong>de</strong> soporte<br />
Ranura para soporte <strong>de</strong> muelles <strong>de</strong> lámina,<br />
láminas bimetálicas, etc.<br />
Perforación para soporte <strong>de</strong> bulones, <strong>de</strong><br />
cojinetes y poleas con estribo
BULONES <strong>DE</strong> COJINETES<br />
SOPORTE PARA DINAMÓMETRO<br />
ANEXO<br />
Para soporte <strong>de</strong> poleas (polea fija), muelles<br />
helicoidales, etc.<br />
Para montar en el jinete, para varillas <strong>de</strong> soporte y<br />
para el soporte <strong>de</strong> dinamómetros.
NUEZ REDONDA<br />
ANEXO<br />
Utilización como manguito <strong>de</strong> empalme para<br />
varillas <strong>de</strong> soporte<br />
Nuez <strong>de</strong> soporte para rieles <strong>de</strong> soporte (plano<br />
inclinado)
BIBLIOGRAFIA<br />
Manual <strong>de</strong> prácticas. Mecánica 1. NTL Technologie Zentrum. Werner von Siemensstrasse 1. Fruhmann<br />
GMBH, 7372 Karl, Austria.<br />
Manual <strong>de</strong> prácticas. Mecánica 2. NTL Technologie Zentrum. Werner von Siemensstrasse 1. Fruhmann<br />
GMBH, 7372 Karl, Austria<br />
Serie <strong>de</strong> escritos PHYWE, La física en experimentos <strong>de</strong> Alumnos. Óptica, Phywe Systeme GMBH. D-<br />
37070. Göttingen<br />
BLOUGH et al. Como enseñar ciencias. São Paulo: Ed. Edart, [s/d.]. 3 vols.<br />
CATELLI, Francisco. Física experimental. Caxias do Sul, RS: [s/ed.], 1995. 2 vols.<br />
<strong>DE</strong>LL’ARCIPRETE, Nicolangelo et al. Física. São Paulo: Ática, [s/d.]. 3 vols.<br />
EDUCATIONAL SERVICES INCORPORATED. Introducción a la física. São Paulo: Ed. Edart, 1973.<br />
FERRAZ, NETTO, Luiz. Manual <strong>de</strong> ferias <strong>de</strong> ciencias y trabajos. São Paulo: Centro <strong>de</strong> Recursos<br />
Educacionais, 1994.<br />
FERREIRA, Luiz Carlos. Estudio dirigido <strong>de</strong> física. São Paulo: Nacional, [s/d.]. 3 vols.<br />
FREITAS, Aníbal. Física. São Paulo: Melhoramentos, [s/d.]. 3 vols.<br />
FUCHS, Walter R. Física mo<strong>de</strong>rna. São Paulo: Polígono, [s/d.].<br />
FUNDAÇÃO BRASILEIRA PARA O ENSINO <strong>DE</strong> CIÊNCIAS (FUNBEC). Laboratorio básico<br />
polivalente <strong>de</strong> ciencias para 1º. Rio <strong>de</strong> Janeiro: [s/ed.]. 1978..<br />
GASPAR, Alberto. Experiencias <strong>de</strong> ciencias para 1º. São Paulo, Ática, 1996.<br />
GOMES FILHO, Francisco Alcântara. Física. São Paulo: Nacional, [s/d.]. 3 vols.<br />
GONÇALVES, Dalton. Física. São Paulo: Ática, [s/d.]. 5 vols.<br />
HALLIDAY-RESNICK. Física. [s/l.]: Ao Livro Técnico, [s/d.]. Partes I e II.<br />
LANDAU, L. et al. Curso <strong>de</strong> física general. Moscow: Mir, [s/d.].<br />
MACEDO, Horácio. Diccionario <strong>de</strong> física. Rio <strong>de</strong> Janeiro: Nova Fronteira, 1976.<br />
OMOTE, N. Física - série sinopse. São Paulo: Mo<strong>de</strong>rna, 1982.<br />
PARANÁ, Djalma Nunes. Física. São Paulo: [s/ed.], 1993. 3 vols.<br />
PSYSICAL SCIENCE STUDY COMMITTEE. Física. São Paulo: Ed. Edart, [s/d.]. 4 vols.<br />
RAMALHO JÚNIOR, Francisco et al. Fundamentos <strong>de</strong> física. São Paulo: Mo<strong>de</strong>rna,<br />
1984. 3 vols.<br />
RAMOS et al. Ciencia experimental. Rio Gran<strong>de</strong> do Sul: [s/ed.], 1994. 137<br />
SEARS/ZEMANSKY. Física. Brasília: Livros Técnicos e Científicos Editora, [s/d.]. 3 vols.<br />
SELLA, Dononzor. Física. São Paulo: Nacional, [s/d.]. 3 vols.<br />
WILLIAMS, John E. et al. Física mo<strong>de</strong>rna: curso programado. Rio <strong>de</strong> Janeiro: Renes, 1970.