RDesarrollo en Educación T ecnológica EQUIPAMIENTO CIENTÍFICO Y TECNOLÓGICO PARA ESCUELAS. LABORÁTORIO DIDACTICO MÓVIL MANUAL DE PRÁCTICAS FÍSICA W W W. D E D U T E L . C O M . M X PRESENTACIÓN Comprometido con la educación, buscando su formación integral, el Cuerpo Técnico de el Laboratorio Didáctico Móvil, estructuró el Manual, en sus aspectos generales, en relación a los textos y aspectos visuales, con el intuito de estimular al alumno en su capacidad inherente de creatividad, discernimiento, construcción, reconstrucción, organización del conocimiento interno y externo, mas respetando las limitaciones de cada uno. Buscó mantener la coherencia con el modelo educacional vigente, motivando al alumno para la reflexión de su proceso de desarrollo y su formación futura, formando un individuo crítico, comprometido con los cambios, reelaborando sus valores y creencias, respetando a los demás individuos y preservando el medio en el que vive. Para tanto, hizo adaptaciones de las experiencias clásicas para el uso en el Laboratorio Didáctico Móvil, que son de fácil ejecución y seguras, permitiendo al profesor una mayor flexibilidad, de acuerdo con la realidad de cada escuela. INDICE NOMBRE DE LA PRACTICA Medición de la longitud con cinta métrica y pie de rey Volumen de los cuerpos sólidos y líquidos Masa y unidad de masa Cronometría Cifras significativas Teoría de los errores Buenos y malos conductores de electricidad Velocidad media e instantánea Movimiento Uniforme Movimiento Variado Movimiento uniformemente acelerado Aceleración de la gravedad Tiro vertical Tiro parabólico Movimiento circular y fuerza centrípeta Ecuación fundamental de la dinámica y definición de Newton Determinación dinámica de la masa Medida de la aceleración de la gravedad Medición de fuerza Fuerza de rozamiento Alargamiento de un muelle helicoidal -Ley de Hooke Dirección de una fuerza y punto de aplicación Plano inclinado Descomposición de fuerzas en el plano inclinado Presión hidrostática Ley de Boyle – Mariotte Conservación de movimiento Conservación de energía mecánica Trabajo mecánico Trabajo sobre plano inclinado Potencia mecánica Polea fija Polea móvil Polipasto sencillo Palanca de dos lados Principio de Arquímedes Blindaje eléctrico Construcción de una brújula Propagación rectilínea de la luz Reflexión de la luz Reflexión en el espejo plano Imágenes en el espejo plano Reflexión en el espejo cóncavo Reflexión en el espejo convexo PAGINA 1 3 5 7 9 10 12 13 15 17 19 21 23 24 26 28 30 32 34 35 37 39 40 42 44 46 50 52 54 55 57 58 60 62 64 66 68 69 70 72 74 77 80 83 INDICE NOMBRE DE LA PRACTICA Refracción al pasar del aire al vidrio Determinación del índice de refracción del vidrio Refracción al pasar de aire a agua Refracción en la superficie de separación de dos líquidos Refracción al pasar del vidrio al aire Refracción en un prisma Descomposición de la luz en un prisma Reunificación de los colores del espectro Difracción de un haz de luz Medición de temperaturas y transformación de escalas Expansión y contracción térmica Cambio de estado Celdas o pilas Generador Termoeléctrico Electrolisis del agua Asociación de resistores en paralelo Asociación de resistores en serie El magnetismo y la electricidad Magnetización Campo magnético de un solenoide Transformación de energía solar a energía eléctrica PAGINA 85 88 90 92 95 97 99 101 103 105 106 107 109 111 112 114 116 118 120 122 124 Práctica 1 MEDICIÓN DE LA LONGITUD CON CINTA MÉTRICA Y PIE DE REY Objetivo: Conocer la exactitud de medida de la cinta métrica y del pie de rey. Hacer uso del las herramientas de medición usuales en las determinaciones físicas. Reconocer el concepto de magnitudes escales. Material: 1 Cinta métrica 1 Vernier o Pie de Rey 1 Paralelepípedo de aluminio 1 Hoja de papel Introducción: En ingeniería, ciencia, industria y estadística, se denomina exactitud a la capacidad que tiene un instrumento de medir un valor cercano al valor de la magnitud real. Suponiendo varias mediciones, no estamos midiendo el error de cada una. Sino la distancia a la que se encuentra la medida real de la media de las mediciones. (es decir cuán calibrado está el aparato de medición). Esta cualidad también se encuentra en instrumentos generadores de magnitudes físicas, siendo en este caso la capacidad del instrumento de acercarse a la magnitud física real. En ingeniería, ciencia, industria y estadística, se denomina precisión a la capacidad de un instrumento de dar el mismo resultado en mediciones diferentes realizadas en las mismas condiciones. Esta cualidad debe evaluarse a corto plazo. No debe confundirse con exactitud ni con reproducibilidad. Es un parámetro relevante, especialmente en la investigación de fenómenos físicos, ámbito en el cual los resultados se expresan como un número más una indicación del error máximo estimado para la magnitud. Es decir, se indica una zona dentro de la cual está comprendido el verdadero valor de la magnitud. Desarrollo Experimental: Experimento 1: 1) Medimos con la cinta métrica los lados de una hoja y calculamos su superficie. 2) Con la cinta métrica podemos medir con una exactitud de hasta 1 mm. 3) Intentamos determinar con la cinta métrica la altura media del compañero del grupo de trabajo. 4) Medimos la altura de todos los miembros del grupo, sumamos los valores y dividimos entre el número de las medidas tomadas. Experimento 2: 1) Determinamos con el vernier el tamaño del paralelepípedo de aluminio, Con el vernier podemos llevar a cabo mediciones del paralelepípedo de hasta una exactitud de 0,1 mm 2) Con ayuda de los resultados podemos calcular el volumen del paralelepípedo. 1 Indicación: El tornillo micrométrico nos permite llevar a cabo mediciones todavía más exactas. Resultados y conclusiones: Con la cinta métrica podemos medir la longitud con una exactitud de hasta 1 mm; con el vernier podemos medir la longitud con una exactitud de de hasta 0,1 mm. Podemos calcular la superficie y el volumen de un cuerpo regular cuando hemos llevado a cabo las mediciones correspondientes. Realice una investigación acerca de los conceptos de incertidumbre en las mediciones físicas. 2 Práctica 2 VOLUMEN DE LOS CUERPOS SÓLIDOS Y LÍQUIDOS Objetivo: Mostrar cómo podemos determinar el volumen de líquidos y de cuerpos Irregulares mediante métodos indirectos Material: 1 Paralelepípedo de aluminio 1 Platillo para pesos de ranura 4 Pesas de ranuradas 50 g. 1 Cilindro graduado 1 Vaso de precipitados 1 Vernier 1 Cordón Introducción: Cuando un sólido no tiene una forma geométrica que permita determinar por cálculo su volumen, se mide éste indirectamente. Supongamos que se desea saber el volumen de una piedra pequeña. Por lo general las piedras tienen una forma muy irregular, por lo que es muy difícil calcular su volumen comparándolo con un cubo unidad. En estos casos se calcula su volumen por desplazamiento de agua. En un recipiente graduado vertemos un líquido y, a continuación, sumergimos en él, el sólido cuyo volumen deseamos conocer. El aumento de nivel del líquido nos permitirá, por sustracción, determinar el volumen del sólido. Normalmente el líquido empleado 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 Desarrollo experimental: Experimento 1: 1) Medir el volumen de un líquido (agua). Llenar con agua el vaso de precipitados. 2) Vertemos en el cilindro graduado exactamente 20 ml. de agua, después, por ejemplo, 78 ml de agua y para terminar 100 ml de agua. Practicamos la lectura del volumen de agua vertido. 100 ml corresponden a 100 cm. cúbicos. 3) Vertemos el agua de nuevo en el vaso de precipitados. Experimento 2: 1) Medir los lados del paralelepípedo de aluminio con ayuda del vernier. Calculamos el volumen con la fórmula largo x ancho x altura (V = I.b.h). Volumen del paralelepípedo_____ cm. cúbicos Experimento 3: 1) Medir ahora el volumen del paralelepípedo de aluminio por medio de su desplazamiento del agua. Llenamos con agua el cilindro graduado hasta su marca para 70 ml. 2) Atamos un cordón al paralelepípedo de aluminio y lo sumergimos completamente en el agua del cilindró graduado. El nivel del agua del cilindro graduado aumenta. Leemos en la escala del cilindro graduado el aumento del volumen. El aumento del volumen corresponde al desplazamiento del agua por medio del paralelepípedo. El paralelepípedo de aluminio ha desplazado___________ ml. de agua. El volumen del paralelepípedo es por lo tanto__________ cm. cúbicos, 3) El resultado debe coincidir con el valor calculado del volumen, permitiéndose un pequeño error debido a inexactitudes durante la medida. Experimento 4: 1) Medir como en el tercer experimento el volumen de un cuerpo sólido por medio del desplazamiento de agua. Ahora utilizamos, sin embargo, un cuerpo irregularmente formado. En el cilindro graduado se encuentran de nuevo 70 ml. de agua. Atamos un cordón al platillo para pesas de ranura, cuatro pesos de ranura de 50 g. 2) Sumergimos estos cuerpos completamente en el agua del cilindro graduado. 3) Leemos el aumento del volumen; de esta manera podemos dar el volumen del cuerpo (sustraer 70 ml. del nuevo valor). 3 El volumen del cuerpo irregular es de __________ cm. cúbicos. Resultados y conclusiones: Podemos determinar el volumen de cuerpos formados irregularmente, determinando cuánta agua desplazan. 4 Práctica 3 MASA Y UNIDAD DE MASA Objetivo: Realizar determinaciones de masa de diferentes cuerpos, para la comprehensión del concepto de masa, realizar mediciones por medio de una balanza de dos brazos, conocer y hacer uso las unidades de masa. Material: 1 Riel de soporte 2 Varillas de soporte 25 cm. 2 Capuchones de plástico para varilla de soporte 1 Nuez 1 Bulón de cojinetes 1 Brazo de palanca 2 Platillos de balanza 1 Índice 1 Escala 1 Jinete con ranura 1 Vaso de precipitado 1 Cilindro graduado 1 Juego de masas 2 Pesas de ranura 50 g Introducción: La masa es la medida de la inercia de un cuerpo. Aunque es frecuente que se defina como la cantidad de materia contenida en un cuerpo, esta última definición es incompleta. Es un concepto central en la química, la física y disciplinas afines. En el Sistema Internacional de Unidades se mide en kilogramos. El Kilogramo es la unidad básica de masa del Sistema Internacional de Unidades y su patrón, está definido por la masa que tiene el cilindro patrón, compuesto de una aleación de platino e iridio, que se guarda en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Sèvres, cerca de París. Desarrollo experimental: Preparación: Montaje de acuerdo con la ilustración. 1) Insertamos a través de la perforación transversal del riel de soporte una varilla de soporte de 25 cm. Ajustamos la varilla de soporte con ayuda de un tornillo moleteado. 2) Colocamos los capuchones de plástico a ambos extremos de la varilla de soporte. 3) Fijamos la segunda varilla de soporte de 25 cm. perpendicularmente en el riel de soporte. 4) Ajustamos la nuez a la varilla perpendicular de soporte. 5) Ajustamos el brazo de palanca a la nuez en el orificio superior con ayuda del bulón de cojinetes. 6) Atornillamos el índice al centro del brazo de palanca. 7) Colocamos la escala sobre el riel de soporte frente a la varilla perpendicular de soporte, con ayuda del jinete con ranura. 8) Suspendemos ambos platillos de balanza de los extremos del brazo de palanca. 5 Experimento 1: 1) Colocamos el vaso de precipitados sobre el platillo izquierdo de la balanza mientras que sostenemos el platillo hasta que logremos el equilibrio colocando masas y perdigones para tarar en el platillo derecho ("tarar'). 2) En adición, colocamos sobre el platillo de balanza derecho dos pesos de ranura 50 g. 3) Vertimos agua en el vaso de precipitados que se encuentra sobre el platillo de balanza izquierdo (del cilindro graduado), hasta que establezcamos de nuevo el equilibrio. 4) Finalmente vertimos de nuevo el agua en el cilindro graduado vació y determinamos su volumen. Resultados y conclusiones: 1. Las masas se comparan con una balanza. 2. 1 g es la masa de 1 ml de agua, 1 kg. es la masa de 1L de agua. 6 Práctica 4 CRONOMETRÍA Objetivo: Mostrar un método sencillo para medir el tiempo. Hacer uso de las unidades de medición del tiempo. Material: 1 Riel de soporte 1 Pinza 1 Varilla de soporte 50 cm. 2 Nueces 1 Bulon de cojinete 1 Platillo para pesas ranuradas 2 Pesas ranuradas de 50g 1 Cinta métrica 1 Tijera 1 Cordón 1 Cronómetro Introducción: La materia, en su movimiento, manifiesta ciclos. La magnitud que esta propiedad genera se llama tiempo. El tiempo es la magnitud física que mide la duración o separación de las cosas sujetas a cambio, esto es, el período que transcurre entre dos eventos consecutivos que se miden de un pasado hacia un futuro, pasando por el presente. Es la magnitud que permite parametrizar el cambio y ordenar los sucesos en secuencias, estableciendo un pasado, un presente y un futuro, y da lugar al Principio de causalidad, uno de los axiomas del método científico. Su unidad básica en el Sistema Internacional es el segundo. Su símbolo es s; debido a que es un símbolo y no una abreviación, no se debe escribir ni con mayúscula, ni como "seg", ni agregando un punto posterior. Desarrollo experimental: Preparación: montar de acuerdo a la ilustración 1) Fijamos la pinza de mesa con el riel de soporte al borde de la mesa. 2) Fijamos la varilla de soporte al riel. Colocamos una nuez en la varilla de soporte cerca del riel. 3) Fijamos la otra nuez (con el bulón de cojinetes ya ajustado) al extremo superior de la varilla de soporte. La nuez inferior debe encontrarse paralela al borde de la mesa mientras que la superior debe salir hacia adelante. 4) Hacemos dos gazas a ambos extremos de un cordón de 130 cm. de longitud. 5) Fijamos una gaza al tornillo de apriete de la nuez inferior. 7 6) Corremos el cordón a través de los bulones de cojinetes y lo dejamos colgando hacia abajo. 7) De la segunda gaza colgamos el platillo para pesas ranuradas, con dos pesas ranuradas de 50 g. 8) Desplazando la nuez inferior hacia arriba o hacia abajo obtenemos una longitud del péndulo –desde el bulón de cojinetes hasta el centro de los pesas ranuradas- de exactamente 99,5 cm. Experimento 1: 1) Hacemos oscilar el péndulo. Debe oscilar paralelo al borde de la mesa; la amplitud de oscilación sólo debe ser de unos 10 cm. Al detenerse el péndulo a un lado (punto de inversión) activamos el cronómetro (observamos la posición de la manecilla de los segundos del reloj de pulsera). Después de exactamente 20 semioscilaciones (10 oscilaciones completas, 1 oscilación es una movimiento completo de ida y regreso del péndulo) detenemos de nuevo el cronómetro (Vemos de la manecilla de los segundos del reloj de pulsera el tiempo transcurrido). Duración de 20 oscilaciones: ______s Duración de 1 semi-oscilación: _____s Un péndulo de segundos debe medir, por lo tanto, exactamente 99,5 cm. Experimento 2: 1) Llevamos a cabo con el péndulo de segundos algunas mediciones del tiempo. Podemos determinar, por ej. el número de pulsaciones del cuerpo humano durante un minuto (60 seg.). Para lo mismo medimos primero al estar el cuerpo en reposo relativo y luego después de un esfuerzo físico (correr brevemente o subir escalones). Podemos también comparar los resultados para dos personas distintas. Resultados y conclusiones: 1) Un péndulo de 99,5 cm. de longitud necesita 1 segundo para una semi-oscilación (péndulo de segundos). 2) Podemos efectuar mediciones del tiempo con un péndulo cuya duración de oscilación conocemos. Sin embargo, la amplitud de oscilación del péndulo no debe ser demasiado grande. 8 Práctica 5 CIFRAS SIGNIFICATIVAS Objetivo: Aplicar el concepto de Cifras significativas, Realizar operaciones usando cifras significativas, conocer el concepto de incertidumbre. Material: Rectángulo de cartulina Regla Vernier Introducción: Es imposible obtener el valor exacto de una cantidad buscada, excepto cuando los números de una operación son enteros (por ejemplo el número de estudiantes que hay en una clase). Por esta razón es importante indicar el margen de error en las mediciones señalando claramente el número de cifras significativas, que son los dígitos significativos en una cantidad o medida calculada. En el trabajo científico siempre debe tenerse cuidado de anotar el número adecuado de cifras significativas Desarrollo experimental: Experimento 1: Medir longitud: 1) Medir el cuadro y expresar el resultado en cm. (no incluir decimales) 2) Medir el cuadro con la regla y expresar el resultado en decimales 3) Medir el cuadro de cartulina con ayuda del vernier y expresar resultados Experimento 2: Medir área: 1) Mide el ancho del rectángulo con la regla graduada en milímetros. Exprésala en metros. Con esas dos medidas ¿Cuál es el perímetro del rectángulo? (Tenga presente la técnica del redondeo). Cuál es el área del rectángulo? Evalúe su respuesta para ver cuantas cifras significativas (decimales) deberá tener Resultados y conclusiones: 1) ¿De que depende el número de cifras significativas que obtuviste? 2) ¿Qué instrumento te permitió tomar medidas más precisas? 3) ¿Por que consideras que es más precisa? 4) ¿Cuantas cifras significativas tiene cada resultado? 9 Práctica 6 TEORIA DE LOS ERRORES Objetivo: Hacer uso de la teoría de los errores Materiales: 2 Cinta métrica 1 Regla Introducción: El resultado de toda medición siempre tiene cierto grado de incertidumbre. Esto se debe a las limitaciones de los instrumentos de medida, a las condiciones en que se realiza la medición, así como también, a las capacidades del experimentador. Es por ello que para tener una idea correcta de la magnitud con la que se está trabajando, es indispensable establecer los límites entre los cuales se encuentra el valor real de dicha magnitud. La teoría de errores establece estos límites. Tipos De Errores Error de escala (escala): El error de escala corresponde al mínimo valor que puede discriminar el instrumento de medida. Error sistemático (sistemático): Se caracteriza por su reproducibilidad cuando la medición se realiza bajo condiciones iguales, es decir siempre actúa en el mismo sentido y tiene el mismo valor. Error accidental o aleatorio: Se caracteriza por ser de carácter variable, es decir que al repetir un experimento en condiciones idénticas, los resultados obtenidos no son iguales en todos los casos. El error accidental se puede minimizar aumentando el número de mediciones. El error total es igual a la suma de estos tres tipos de errores. Desarrollo experimental: Experimento 1: 1) Cada estudiante del grupo tomará la cinta métrica o regla y medirá, la longitud de la mesa de trabajo del LDM y registrará sus datos (deberá aplicar cifras significativas). 2) Intercambie sus instrumentos de medición y vuelve a tomar las mismas medidas. No corrijas tus datos. 3) Intercambien de nuevamente su instrumento de medición y vuelvan a medir Registrar resultados en una tabla de datos como la que se sugiere a continuación. (Exprese todas las medidas en metros). Estudiante 1 Medida 1 Medida 2 Medida 3 Resultados y conclusiones: 1) ¿Tienen que tener todos los resultados el mismo número de decimales? ¿Por qué? 2) ¿Cuál medida de su tabla de datos se repite con más frecuencia? 3) ¿Cuántas medidas diferentes aparecen en su tabla? 4) ¿Qué medida considera usted que representa con mejor aproximación la distancia que quiso medir?. Manejar datos Estudiante 2 Estudiante 3 10 Calcula el promedio aritmético de todos los resultados obtenidos. ¿Cuántas cifras significativas deberá tener este resultado? ¿Por qué?. Es este promedio la medida más probable de la longitud que quiso medir ¿Por qué?. Designe con una X el valor promedio que encontró y por x el valor de cualquier medida consignada en la tabla de datos. ¿Qué tan cerca o tan lejos de X estuvo el primer dato de su tabla y el último?. La diferencia que usted obtuvo en el paso anterior se denomina error. ¿Cuál es el error de cada una de las medidas de su tabla?. Para calcular el error porcentual utiliza la siguiente ecuación: ep =[(X – x) x 100%]/X. 11 Práctica 7 BUENOS Y MALOS CONDUCTORES DE ELECTRICIDAD Objetivo: Identificación de buenos y malos conductores de la electricidad. Comprender el término de conductividad. Material: Bitácora Lápiz Papel 1 foco 1 pila de 1.5 V Alambres de cobre Cinta de aislar Moneda metálica Vidrio Goma Lápiz Plástico Agua simple Solución de agua con sal Solución de agua con azúcar Introducción: Se dice que un cuerpo es conductor eléctrico cuando puesto en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie. Generalmente elementos, aleaciones o compuestos con electrones libres que permiten el movimiento de cargas. El más conocido el elemento metálico capaz de conducir la electricidad cuando es sometido a una diferencia de potencial eléctrico. Para que ello sea efectuado eficientemente, se requiere que posea una baja resistencia para evitar pérdidas desmedidas por el Efecto Joule y caída de tensión. Para el transporte de la energía eléctrica el susodicho metal empleado universalmente es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo, un material mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica. La conductividad en medios líquidos (Disolución) está relacionada con la presencia de sales en solución, cuya disociación genera iones positivos y negativos capaces de transportar la energía eléctrica si se somete el líquido a un campo eléctrico. Estos conductores iónicos se denominan electrolitos o conductores electrolíticos. Desarrollo experimental: Experimento 1: 1) Montar el circuito que se muestra en la figura 1 usando cinta de aislar para fijar los alambres de cobre a las terminales de la pila. Material de prueba Figura 1 Cinta de aislar 2) Comprobar el funcionamiento del circuito, se deberá permitir el contacto de las terminales A y B. La lámpara enciende. 3) Probar materiales. Fijar los diferentes materiales de prueba a las terminales A y B. Distinguir si el material de prueba es buen o mal conductor de la electricidad, si la lámpara enciende es buen conductor. 4) Registrar sus resultados en una tabla, clasificando a los materiales como buenos y malos conductores de la electricidad. Resultados y conclusiones: 1) ¿Cuáles de los materiales empleados son buenos y malos conductores de la electricidad? 2)Justifica la respuesta, revisando la bibliografía para reconocer sus características. 12 Práctica 8 VELOCIDAD MEDIA E INSTANTÁNEA Objetivo: Determinar la velocidad media e instantánea Material: 1 Pista 1 Varilla 6 cm. 1 Carrito para experimentos 3 Pesas ranuradas de 50 g 2 Jinetes 1 Generador de marcas de tiempos 1 Cinta métrica 1 Cinta registradora 1 Tijeras 2 Cables de conexión Fuente de alimentación Etiquetas adhesivas Introducción: En física, se define correctamente a la velocidad al decir que es "la rapidez con la que cambia de posición un móvil". Esta magnitud expresa la variación de posición de un objeto en función de la distancia recorrida en la unidad de tiempo. Se suele representar por la letra . La velocidad puede distinguirse según el lapso considerado, por lo cual se hace referencia a la velocidad instantánea, la velocidad promedio, etcétera. En el Sistema Internacional de unidades su unidad es el metro por segundo. La velocidad media o velocidad promedio informa sobre la velocidad en un intervalo dado. Se calcula dividiendo el desplazamiento (delta x) por el tiempo transcurrido (delta t). Permite conocer la velocidad de un móvil que se desplaza sobre una trayectoria, cuando el lapso de tiempo es infinitamente pequeño, siendo entonces el espacio recorrido también muy pequeño, representando un punto de la trayectoria. Desarrollo experimental: Montaje de acuerdo a la ilustración. Preparación: 1) Colocamos la pista sobre la mesa y el carrito para experimentos junto con tres pesos de ranura sobre la pista. 2) Elevamos un poco (unos 3 cm.) un extremo de la pista con ayuda de la varilla de soporte de 6 cm. 3) Sobre el extremo elevado colocamos el generador de marcas de tiempo. Al otro extremo de la pista colocamos el jinete, que evitará que el carrito ruede hacia abajo. 4) Tiramos a través del generador de marcas de tiempo una cinta de papel metalizado de aproximadamente 1 m de longitud y la fijamos al carrito con ayuda de una etiqueta adhesiva. 5) Aseguramos el otro extremo de la cinta a la pinza de cocodrilo del generador de marcas de tiempo. 6) Conectamos el generador de marcas de tiempo a una tensión alterna de 15 V. 13 7) Deslizamos el carro completamente hasta el generador de marcas. Directamente frente al carro colocamos un jinete sobre la pista para que lo detenga. Experimento 1: 1) Ponemos la tecla en 100 ms. 2) Retirar el jinete que está junto al carrito. Este rueda aceleradamente, debido a que la pista está inclinada, y es detenido al final por el jinete. 4) Poner la tecla en posición central y retiramos la cinta del soporte. 5) Tomamos la cuarta marca de tiempo y la marcamos como punto inicial de las medidas posteriores (marca D). Denominamos a las siguientes marcas 1,2,3.. .8.entonces medimos las distancias previamente indicadas en la tabla y calculamos, con ayuda del tiempo necesitado, la velocidad media respectivamente. La podemos calcular con la fórmula: v = distancia Tiempo Resultados y conclusiones: Marca 8 6 4 3 2 1 Distancia de la marca ______cm.=_______m ______cm=_______m ______cm=_______m ______cm=_______m ______cm=_______m ______cm=_______m Intervalo de tiempo 0.8 s 0.6 s 0.4 s 0.3 s 0.2 s 0.1 s Velocidad media _____m/s _____m/s _____m/s _____m/s _____m/s _____m/s El carrito se mueve aceleradamente y la velocidad aumenta. Por lo tanto, si queremos calcular la velocidad media para intervalos cada vez más pequeños tomamos los valores y los aproximamos gradualmente a la velocidad instantánea del momento de la marca 0. Finalmente medimos el intervalo antes de la marca 0 y después de la marca 0, sumamos los dos intervalos y dividimos entre 0,2 s. obtenemos de esta manera la velocidad instantánea tan exactamente como es posible obtenerla con ayuda de los puntos de medida. La velocidad instantánea es de _________m/s. Todavía debemos calcular la velocidad media del vagón durante todo el recorrido. A partir del número de los puntos de medida obtenemos la duración del movimiento (el número multiplicado por 0,1s). Obtenemos la distancia recorrida midiendo el intervalo entre el primero y el último punto de marcación sobre la cinta registradora. Obtenemos la velocidad media por medio de una división. V= distancia/tiempo. la velocidad media es de m/s. Conclusión Podemos calcular la velocidad instantánea como si fuera una velocidad media de un pequeño intervalo de tiempo. Cuando decimos "el coche marcha ahora a 100km/h", ¿Recorre realmente 100km durante la próxima hora? No, ya que nos referimos a la velocidad instantánea. Cuando decimos, hemos necesitado 1 h para recorrer 100km" tampoco queremos decir que la velocidad ha sido de 100km/h, sino que el valor medio de la velocidad ha sido de 100km/h. 14 Práctica 9 MOVIMIENTO UNIFORME Objetivo: Estudiar la velocidad uniforme Material: 1 Pista 100 cm. (rieles con pieza de unión) 1 Varilla soporte 6 cm. 1 Carrito para experimentos 3 Pesas ranuradas de 50 g 1 Jinete 1 Generador de marcas de tiempo 1 Cinta métrica 1 Cinta registradora de papel metalizado 1 Tijeras 2 Cables de conexión Fuente de alimentación Etiquetas adhesivas Introducción: Un movimiento es rectilíneo cuando describe una trayectoria recta y uniforme cuando su velocidad es constante en el tiempo, es decir, su aceleración es nula. Esto implica que la velocidad media entre dos instantes cualesquiera siempre tendrá el mismo valor. Además la velocidad instantánea y media de este movimiento coincidirán. Desarrollo experimental: Preparación Montaje de acuerdo a la ilustración. 1) Colocamos la pista sobre la mesa y el vagón para experimentos (junto con 3 pesas ranuradas) sobre la pista. 2) Elevamos un poco (unos 1,5cm) un extremo de la pista con ayuda de la varilla de soporte de 6cm. esta elevación deberá contrarrestar el rozamiento. Sobre el extremo elevado colocamos el jinete, el cual deberá evitar que el vagón ruede hacia abajo. 3) Pasamos al revés del generador de marcas de tiempo una cinta de papel metalizado de aproximadamente 1 m de longitud y la fijamos al vagón con ayuda de una etiqueta adhesiva. 4) Aseguramos el otro extremo de la cinta registradora a la pinza de cocodrilo en el generador de marcas de tiempo. 5) Conectamos el generador de marcas de tiempo a una tensión alterna de 15v. 6) Deslizamos el vagón completamente hasta el generador de marcas de tiempo. Si el ajuste de la altura es correcto, el vagón no debe rodar por sí solo. Si empujamos ligeramente el vagón, éste deberá rodar sobre la pista con una velocidad constante. 7) Si el vagón disminuyera de velocidad deberemos revisar la compensación del rozamiento. Experimento 1: 1) Seleccionamos la posición "100 ms", y le damos al vagón un empujón para que llegue al extremo de la pista. 2) Entonces paramos el generador (posición central) y retiramos la cinta registradora del soporte. 3) El generador de marcas de tiempo ha hecho una marca cada decimal de Segundo sobre la cinta de papel metalizado. 15 4) Con una cinta métrica o con una regla medimos los intervalos entre las marcas de tiempo del generador sobre la cinta registradora. ¿Son todos los intervalos iguales? Ya que el vagón se ha movido de manera aproximadamente uniforme, los intervalos de las marcas son aproximadamente iguales también. Si el intervalo de los puntos de medida se hace más pequeño al finalizar el movimiento es que el movimiento fue retardado. 5) Determinamos la velocidad del carrito a partir de la distancia que ha recorrido en una décima de Segundo. Resultados y Conclusiones: En un movimiento uniforme, todas las marcas sobre la cinta registradora tienen el mismo intervalo. El vagón se mueve uniformemente sobre la pista una vez que el efecto retardatorio del rozamiento ha sido compensado. En el experimento, la inclinación de la pista ha provocado esta compensación. 16 Práctica 10 MOVIMIENTO VARIADO Objetivo: Identificar el movimiento variado Material: 1 Pista 1 Carrito para experimentos 1 Pesa ranurada de 50 g 1 Jinete 1 Generador de marcas de tiempo 1 Cinta métrica 1 Cinta registradora de papel metalizado 1 Tijeras 2 Cables de conexión Fuente de alimentación Etiquetas adhesivas Introducción: El movimiento variado es el más común dentro del movimiento mecánico de las partículas, este se presenta cuando la aceleración es variable con respecto al tiempo, con lo que la velocidad y posición varían de maneras muy distintas. Este movimiento es el mas generalizado, del cual el MRU, el MRUV, el MCU, el MCUV, o el movimiento parabólico son casos especiales del mismo. Desarrollo experimental: Preparación: Montaje de acuerdo a la ilustración 1) Colocar el carrito sobre la pista. 2) Colocar el generador de marcas de tiempo al final de la pista. 3) Colocar en el otro extremo el jinete, el cual deberá evitar que el carrito ruede hacia abajo. 4) Tiramos a través del generador de marcas de tiempo de una cinta metalizada y la fijamos al carrito por medio de una etiqueta adhesiva. 5) Aseguramos el otro extremo de la cinta registradora a la pinza de cocodrilo en el generador de marcas de tiempo. 6) Operar el generador de marcas de tiempo en posición 100 ms, con lo que hará una marca sobre la cinta registradora cada 0.1s. 7) Conectar el generador de marcas de tiempo a una tensión alterna de 15 V. Experimento 1: 1) Ponemos la llave en "100ms" y movemos el carro con la mano sobre la pista. 2) Intentamos llevar a cabo el movimiento de tal manera que la velocidad del carro primero aumente y después disminuya de nuevo. Para ello, primero tiramos lentamente y luego (a partir del centro de la pista) rápidamente y al final de nuevo lentamente. Al llegar el carrito al final de la pista paramos el marcador (posición central) y retiramos la cinta registradora del soporte. 17 Primero tomamos de la parte inicial dos puntos de marcación que se encuentren muy próximos entre sí y determinaremos la distancia entre ellos. Luego escogeremos dos puntos que posean mayor distancia entre sí. El intervalo de tiempo entre dos marcas es 0,1 seg. A partir de la distancia medida y del tiempo calcularemos para ambos casos la velocidad. V1 = s = m V2 = s = m m =_____m/s 0.1 s m =_____m/s 0.1 s Resultados y Conclusiones: En un movimiento acelerado aumenta el intervalo entre los puntos de marcación, mientras que en un movimiento retardado disminuye dicho intervalo. En este experimento el carrito lleva a cabo un movimiento en el cual en intervalos de tiempo iguales no recorre distancias iguales. A este tipo de movimiento lo llamamos "movimiento variado". 18 Práctica 11 MOVIMIENTO UNIFORMEMENTE ACELERADO Objetivo: Calcular la aceleración del carro para experimentos sobre la pista inclinada y determinar la ley de la distancia para el movimiento acelerado Materiales: 1 Pista 1 Varilla soporte 10 cm. 1 Carrito para experimentos 3 Pesas de ranura 50 g 2 Jinetes 1 Nuez redonda 1 Generador de marcas de tiempo 1 Cinta métrica 1 Cinta registradora 1 Tijeras 2 Cables de conexión Fuente de alimentación Etiquetas adhesivas Introducción: Después del movimiento rectilíneo uniforme, el tipo de movimiento más sencillo que tenemos, es el uniformemente acelerado. En éste, la velocidad no es una constante, sino que va cambiando de forma uniforme, ya sea que aumente o disminuya; razón por la cual a este tipo de movimiento también de le llama uniformemente variado. El movimiento uniformemente acelerado es aquel en el cual la velocidad se incrementa en cantidades iguales y en tiempos iguales. Desarrollo experimental: Preparación Montaje de acuerdo a la ilustración. 1) Colocamos la pista sobre la mesa y el carrito para experimentos junto con tres pesas ranuradas sobre la pista. La masa del carrito es de 200g. 2) Colocamos la varilla de soporte de 10 cm. en la nuez redonda. Elevamos un poco (aproximadamente 6 cm.) un extremo de la pista con ayuda de la varilla de soporte. 3) Sobre el extremo elevado colocamos el generador de marcas de tiempo. Sobre el otro extremo de la pista colocamos el jinete, el cual deberá evitar que el vagón ruede hacia abajo. 4) Tiramos a través del generador de marcas de tiempo una cinta de papel metalizado de aproximadamente 1 m de longitud y la fijamos al carrito con ayuda de una etiqueta adhesiva. 5) Aseguramos el otro extremo de la cinta registradora a la pinza de cocodrilo del generador de marcas de tiempo. 6) Conectamos el generador de marcas de tiempo a una tensión alterna de 1,5v. 7) Deslizamos el vagón con la cinta completamente hasta el generador. 8) Directamente frente al vagón colocamos un jinete para que lo detenga. 9) Conectamos el generador de marcas de tiempo a una tensión de 1,5v. 19 Experimento 1 y 2: 1) Justamente antes de soltar el vagón ponemos la llave del generador en posición 100ms. El carrito se mueve aceleradamente sobre la pista inclinada y se detiene al final de ésta por el jinete. 2) Retiramos la cinta registradora del soporte. 3) Medimos los intervalos entre las marcas en la cinta y los anotamos. Los intervalos corresponden a las distancias recorridas en cada décima de segundo, las cuales aumentan uniformemente. Aumento de la distancia cada décima de segundo: ____ mm. Resultados y conclusiones Experimento 1 Para obtener la aceleración a partir de lo anterior, debemos reflexionar lo siguiente: la aceleración es el aumento de la velocidad en el intervalo de tiempo correspondiente. El aumento de la velocidad se obtiene como el aumento de la distancia en el intervalo de tiempo. Un intervalo de tiempo dura 0,1 seg. Para la aceleración es válido: a= ∆v = ∆ ∆s ∆t ∆t ∆t = ∆s (∆t)2 (∆t)2 = 0.12s2=0.01 s2 Por lo tanto, debemos dividir el cambio de la distancia entre 0,01 o multiplicarlo por 100. La aceleración constante fue de ______m/s2 Experimento 2 1) Repetimos el experimento, pero esta vez en la posición" 10 ms", con lo que obtenemos una marca cada centésima de segundo. Al principio, los puntos se encuentran muy cerca unos de otros. Tan exactamente como es posible, intentamos contar los primeros 10 puntos (podemos comenzar aquí con 1", ya que la primera marca no es posible colocarla exactamente al principio del movimiento sino un poco más tarde). 2) Entonces contamos siempre 10 marcas más adelante y así marcamos el recorrido durante las décimas de segundo. 3) Medimos la distancia total desde el punto de partida (p. ej. 5, 19, 42, 84 mm, etc.) y la dividimos entre el cuadrado del tiempo (0,01; 0,04; 0,09;...s). ¿Indican todos los cocientes una relación con la velocidad?. Tiempo t2 (en s2) 0.1 0.01 0.2s 0.04 0.3s 0.09 0.4s 0.06 0.5s 0.25 0.6s 0.36 0.7s 0.49 Distancia total En mm En m s/t2 Conclusiones: Los cocientes s/t2 nos dan la mitad de la aceleración. La ley de la distancia es la siguiente: s= (a/2) t 2 20 Práctica 12 ACELERACIÓN DE LA GRAVEDAD Objetivo: Estudiar la caída libre de un objeto y medir la aceleración de la caída Material: 1 Riel 50 cm. 1 Platillo portapesas 1 Cinta métrica 1 Marcador 1 Tijeras 1 Rollo papel metálico 2 Cables de conexión Fuente de alimentación Etiquetas adhesivas Introducción: Cuando un cuerpo cae libremente sobre la superficie de la tierra, su velocidad instantánea va aumentando. Estudiando la manera en la cual aumenta esta velocidad se ha encontrado una aceleración constante cuyo valor es de 9.8 m/s2. El valor varía ligeramente de acuerdo a la latitud y altura de cada lugar. Desarrollo experimental: Preparación Montaje de acuerdo a la figura. 1) Sujetar el marcador de tiempos sobre el riel de movimientos, se fija un extremo de una cinta de papel metálico de 1 m de largo en la pinza de cocodrilo del marcador de tiempos, y el otro extremo se desliza por dentro de éste hasta que sobresalgan unos 10 cm. 2) Se conecta el marcador a la fuente de alimentación. La llave del marcador debe estar en la posición central. 3) En el extremo libre de la cinta de papel se sujeta, pegando una etiqueta adhesiva, el porta pesas. 4) Se sujeta la cinta de papel y se tensa con la mano. El porta pesas debe encontrarse fuera del borde de la mesa, de manera que pueda caer al suelo al comenzar el experimento. Experimento: 1) Ponemos la llave del marcador en la posición n 10 ms y al mismo tiempo liberamos la cinta. El porta pesas cae al suelo y arrastra la cinta a través del marcador. Entonces volvemos a desconectar el marcador (posición central) y quitamos la cinta de su sujeción. 2) Sobre la cinta, partiendo de una marca de las primeras, contamos y señalamos tres series de 10 marcas de manera que tengamos tres caminos recorridos cada uno en una décima de segundo (10x10ms). Resultados y conclusiones: Los tres caminos miden: s 1= _____ mm, s2= _____mm, s3= _____mm 21 y ¿Cuánto han aumentado los caminos en esas décimas de segundo? s2 -s1 = _____mm = _____m s3 -s2 = _____mm = _____m Las distancias deben expresarse en metros. Para la aceleración g, apelación de la gravedad, es válido: g= ∆v = ∆ ∆t ∆t ∆s ∆t = ∆s (∆t)2 El aumento de la distancia debe por tanto dividirse entre 0,01 (0,12) o lo que es lo mismo, multiplicarse por 100. El valor de la aceleración de la gravedad es g = _____m/s2 Con ayuda del marcador de tiempos se puede calcular la aceleración de la gravedad. El valor teórico es: g = 9,81 m/s2 22 Práctica 13 TIRO VERTICAL Objetivo: Conocer las variables cinéticas a considerar en el tiro parabólico. Material: Pelota de esponja Cámara digital Computadora portátil Software para captura de video. Balanza Digital Introducción: Cuando tenemos una velocidad inicial hacia arriba V0 es conveniente agregarle un signo menos a g, para tener evidente que v0 y g tienen sentidos contrarios. Hagamos la siguiente observación: el cuerpo que se mueve hacia arriba seguirá subiendo en tanto tenga cierta velocidad hacia arriba, así que alcanzará su altura máxima cuando su velocidad hacia arriba sea cero. Desarrollo experimental: Experimento 1: 1) Realiza los procedimientos de Inicio, y conexión de la interfase con la computadora descritos en “Guía de captura experimentación, sensores y computadora” y “Guía para captura de imágenes en microscopia con cámara digital y computadora” 2) Inicie el reconocimiento y prueba con la cámara de video. 3) Asigne dimensiones a la experiencia práctica (peso de la pelota, altura exacta). 4) Identifique un área suficientemente contrastante (pared blanca o negra, no del mismo color de la pelota). 5) Inicie la captura de imágenes por medio de la cámara de video digital y el software “Applied Visión”, a través de la computadora en formato *. AVI. 4) Tome la pelota de esponja a 1.5 m de distancia del suelo y permita que caiga. 5) Termine la experiencia física, y guarde el archivo de video generado. 4) Edite el archivo desde el bote de la pelota al tocar el piso, hasta alcanzar la altura máxima del primer bote. 5) Abra el archivo de video generados y cargue los datos de la experiencia práctica, al software “Video Contents Analyzer”. 5) Genere los datos respectivos de las variables del tiro parabólico. Resultados y conclusiones: 1) ¿Cual es la altura máxima que alcanza la pelota? 2) ¿Cuanto tiempo tarda en subir la pelota? 3) ¿Cuál es la energía cinética generada por la experiencia? 4) ¿Cuál es la velocidad inicial del experimento? 4) Realice el cálculo sin la ayuda del software y verifíquelos. 23 Práctica 14 TIRO PARABÓLICO “LANZAMIENTO DE UN BALÍN” Objetivo: Este experimento consiste en lanzar un balín desde una rampa colocada a cierta altura, y se medirá la distancia horizontal desde la base de la rampa hasta el punto de caída del balín. Determinar las variables dinámicas del experimento. Material: Riel de 30 cm. Balín Transportador Papel carbón Hojas Blancas Varilla de soporte Introducción: El tiro parabólico se compone de 2 movimientos simultáneos: uno horizontal con velocidad constante y otro vertical con movimiento uniformemente acelerado, que es afectado por la aceleración de la gravedad y se expresa en función del tiempo. Desarrollo experimental: Preparación 1) Montaje de acuerdo a la figura. Lanzamiento del balín mediante plano inclinado Experimento 1: 1) Sobre una rampa colocada a cierta altura se coloca un balín, el cual desliza y, al abandonar la rampa cae libremente describiendo una trayectoria parabólica. 2) Con un papel carbón colocado sobre un papel blanco, el balín imprime con su caída dejando una marca en éste, observando de esta forma su posición en el plano (x, y), 3) La secuencia descrita se realizará, al menos, para 5 alturas diferentes, teniendo cuidado de colocar el balín en el mismo punto de partida sobre la rampa, cada vez que vaya a ser lanzado. 24 Resultados y conclusiones: Para la realización del reporte de este experimento, considere el punto de lanzamiento del balín, que es el punto donde abandona la rampa, con coordenadas x = y = 0. 1) Construya una gráfica x vs. y en papel cartesiano, y ajuste los puntos experimentales por el método de mínimos cuadrados. Identifique los parámetros de ajuste con las variables cinemáticas del movimiento. Trace la curva ajustada en la gráfica x vs. y. 2) Determine el valor de la velocidad v0 (magnitud y dirección) con la cual el balín es lanzado desde la rampa. Use el valor de la gravedad g = 9.8 m/ s. 3) Determine el tiempo y la velocidad v con la cual el balín cae al piso para cada una de las diferentes alturas consideradas. 4) Con la geometría de la rampa, determine el valor de la velocidad v0 con la cual el balín es lanzado desde la rampa y compárelo con el valor obtenido en la pregunta 2). 5) Considere y discuta las posibles causas por las cuales ambos cálculos dan un resultado diferente para la misma cantidad. 0 0 25 Práctica 15 MOVIMIENTO CIRCULAR Y FUERZA CENTRIPETA Objetivo: Estudiar el movimiento circular y la fuerza centrípeta Material: 2 Soportes Universales con sus bases 2 Nueces rectas 2 Pinzas de Tres dedos. 1 Bulón. 2 Nueces universales. 1 Varilla de 1 x 6 cm. 1 Motor de 6 Volts. 1 Liga. 1 Cabezal de motor para polea. 1 Foto-puerta 1 Varilla de foto-puerta. 2 Cables banana caimán 1 Fuente de poder. 1 Interfase colectora de datos. 1 Computadora portátil. Introducción: El movimiento circular es el que se basa en un eje de giro y radio constante: este será una circunferencia. Si, además, la velocidad de giro es constante, se produce el movimiento circular uniforme, que es un caso particular de movimiento circular, con radio fijo y velocidad angular constante. El cociente del desplazamiento entre el tiempo empleado en tal desplazamiento es llamado velocidad angular. Desarrollo experimental: Figura 1, arreglo para evaluar el movimiento circular Experimento 1: 1) Realiza los procedimientos de Inicio, y conexión de la interfase con la computadora descritos en “Guía De Experimentación Con Interfase, Sensores Y Computadora (Software Excel)”, Inicia el Programa Excel para la adquisición de datos con el sensor fotopuerta. Determina el intervalo de tiempo para las mediciones por medio del temporizador. 2) Dispóngase a montar el experimento según la figura utilizando la liga como una banda entre el motor y la polea 3) Conecte el motor a la fuente de poder por medio de los cables de conexión. 4) Coloque una etiqueta sobre la polea a la altura del paso de la foto-puerta para que sea censada. 26 5) Encienda el motor, procure que la velocidad del motor no sea demasiado rápida para poder apreciar el comportamiento del experimento 6) Inicie la recolección de datos mientras la etiqueta pasa por la foto-puerta 7) Registre los movimientos con la foto-puerta, al recorrer una circunferencia y tomar datos sobre un punto, se podrán obtener datos del número de veces que la pesa pasa por la foto-puerta por minuto lo que equivaldría a revoluciones por minuto. RPM Resultados y conclusiones: 1) ¿Cual es el diámetro del círculo de la polea? 2) ¿Cuanto tiempo tarda la polea en girar 1 vuelta? 3) Con los datos de las preguntas anteriores calcule la magnitud de la velocidad de la polea, su fuerza centrípeta y la frecuencia. 27 Práctica 16 ECUACIÓN FUNDAMENTAL DE LA DINÁMICA Y DEFINICIÓN DE NEWTON Objetivo: Estudiar la dependencia de la aceleración de la fuerza activa y de la masa a acelerar y conocer la ecuación fundamental de la dinámica así como la definición de Newton. Material: 1 Pista 1 Varilla soporte 6 cm. 1 Carrito para experimentos 1 Pesa ranurada de 10 g 3 Pesa ranurada de 50 g 1 porta pesas 2 jinetes 1 polea con estribo 1 generador de marcas de tiempo 1 cinta métrica 1 cinta registradora 1 tijeras Cordón 2 cables de conexión Fuente de alimentación Etiquetas adhesivas Introducción: La dinámica es la parte de la física que describe la evolución en el tiempo de un sistema físico en relación a las causas que provocan los cambios de estado físico y/o estado de movimiento. El objetivo de la dinámica es describir los factores capaces de producir alteraciones de un sistema físico, cuantificarlos y plantear ecuaciones de movimiento o ecuaciones de evolución para dicho sistema. El estudio de la dinámica es prominente en los sistemas mecánicos (clásicos, relativistas o cuánticos), pero también el termodinámica y electrodinámica Desarrollo experimental: Preparación Montaje de acuerdo a la ilustración. 1) Colocamos la pista sobre la mesa y el vagón para experimentos (junto con 3 pesas ranuradas) sobre la pista. 2) Elevamos un poco un extremo de la pista (aproximadamente 1,5 cm.) con ayuda de la varilla de soporte de 6 cm. Esta elevación deberá contrarrestar el rozamiento. 3) Sobre el extremo elevado colocamos el jinete, el cual deberá evitar que el vagón ruede hacia abajo. 4) Fijamos la polea en la perforación de la pista. 5) Pasamos a través del generador de marcas de tiempo una cinta de papel metalizado de aproximadamente 1 m de longitud y la fijamos al vagón con ayuda de una etiqueta adhesiva. 28 6) Aseguramos el otro extremo de la cinta registradora a la pinza de cocodrilo en el generador de marcas de tiempo. Conectamos el generador de marcas de tiempo a una tensión alterna de 15 V. 7) Deslizamos el vagón completamente hasta el generador de marcas de tiempo. Si el ajuste de la altura es correcto, el vagón no debe rodar por sí solo. Si empujamos ligeramente el vagón, éste deberá rodar sobre la pista con una velocidad constante. Si el vagón disminuyera de velocidad deberemos revisar la compensación del rozamiento. 8) Directamente frente al vagón colocamos un jinete sobre la pista para que detenga el vagón. 9) Atamos una cinta a un cordón de unos 1,5 m de longitud. Colgamos el cordón del vagón para experimentos, lo llevamos sobre la polea y suspendemos el plato para pesos de la cinta del cordón. 10) La masa del platillo para pesas es de 10 g., la fuerza activa es por el momento de 0,1 N. Experimento 1 1) La masa a acelerar está compuesta por el vagón y por la masa del peso propulsor. Mantenemos la masa constante de 220 g., el peso propulsor es primeramente 10 g y luego lo elevamos a 20 g (colocando un peso de ranura de 10g), de esta manera doblamos la fuerza activa (a 0,2 N). 2) Sostenemos firmemente el vagón y retiramos el jinete. Entonces soltamos el vagón, este es detenido al final de la pista por el jinete, evitando que caiga. Determinamos con ayuda de la fórmula dada la aceleración a. A= 2*s/t2 Experimento 2 1) Manteniendo la fuerza propulsora constante (0,1 N el peso del platillo para pesas) doblamos la masa total colocando en el vagón primeramente una pesa ranurada de 50g (total 100g + 10 g) y luego tres veces 50g y 10 g (total 210 g + 10g). Aceleración con una masa 110 g: _____m/s2 Aceleración con una masa 220 g: _____m/s2 La aceleración es indirectamente proporcional a la masa. Experimento 3 Determinamos de nuevo la aceleración con ayuda del generador de marcas de tiempo. La masa del vagón es de 180 g (vagón + 2 veces 50 g + 3 veces 10 g), la fuerza es ejercida por la fuerza del peso de 20 g (platillo + pesa ranurada de 10 g) y es por lo tanto de 0,2 N. la masa total es de 0,2 kg. La aceleración es de _____m/s2 Resultados y conclusiones: Experimento 1 Aceleración con una fuerza 0,1 N: _____ m/s2 Aceleración con una fuerza 0,2 N: _____ m/s2 La aceleración es proporcional a la fuerza. Experimento 2 Juntamos los experimentos parciales hasta ahora realizados y comparamos las medidas de la fuerza y de los productos de la masa y de la aceleración: Fuerza F (N) Masa m (Kg.) Aceleración a (m/s2) m*a 0,1 0,22 0,2 0.22 0.1 0.11 0.1 0.22 Tomamos de los experimentos 1 y 2 los datos para llevar a cabo el siguiente razonamiento: Fuerza 0.2 N Masa 0.2 Kg. _____m/s2 Fuerza 1.0 N Masa 0.2 Kg. _____m/s2 Fuerza 1.0 N Masa 1.0 Kg. _____m/s2 Conclusiones 1. La aceleración es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la masa a acelerar. 2. 1 Newton es la fuerza necesaria para producir sobre una masa de 1 Kg. una aceleración de 1 m/s2 29 Práctica 17 DETERMINACION DINAMICA DE LA MASA Objetivo: Determinación dinámica de la masa Material: 1 pista 2 jinetes 2 carritos de experimentación 1 muelle para carritos 4 pesas 50 g 1 tijeras 1 cordón Cerillos Introducción: La Primera ley de Newton nos dice que para que un cuerpo altere su movimiento es necesario que exista algo que provoque dicho cambio. Ese algo es lo que conocemos como fuerzas. Estas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros. La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera: F=ma Tanto la fuerza como la aceleración son magnitudes vectoriales, es decir, tienen, además de un valor, una dirección y un sentido. De esta manera, la Segunda ley de Newton debe expresarse como: F=ma La unidad de fuerza en el Sistema Internacional es el Newton y se representa por N. Un Newton es la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de un kilogramo de masa para que adquiera una aceleración de 1 m/s2, o sea: 1 N = 1 Kg. · 1 m/s2 La expresión de la Segunda ley de Newton que hemos dado es válida para cuerpos cuya masa sea constante. Si la masa varia, como por ejemplo un cohete que va quemando combustible, no es válida la relación F = m · a. Vamos a generalizar la Segunda ley de Newton para que incluya el caso de sistemas en los que pueda variar la masa. Para ello primero vamos a definir una magnitud física nueva. Esta magnitud física es la cantidad de movimiento que se representa por la letra p y que se define como el producto de la masa de un cuerpo por su velocidad, es decir: p=m·v La cantidad de movimiento también se conoce como momento lineal. Es una magnitud vectorial y, en el Sistema Internacional se mide en Kg·m/s. En términos de esta nueva magnitud física, la Segunda ley de Newton se expresa de la siguiente manera: La Fuerza que actúa sobre un cuerpo es igual a la variación temporal de la cantidad de movimiento de dicho cuerpo, es decir; F = dp/dt De esta forma incluimos también el caso de cuerpos cuya masa no sea constante. Para el caso de que la masa sea constante, recordando la definición de cantidad de movimiento y que como se deriva un producto tenemos: F = d(m·v)/dt = m·dv/dt + dm/dt ·v 30 Como la masa es constante dm/dt = 0 y recordando la definición de aceleración, nos queda F=ma tal y como habíamos visto anteriormente. Desarrollo experimental: Preparación Montaje de acuerdo a la ilustración. 1) Para todas las mediciones preparamos una laza, cuya longitud total estando extendida sea de 25- 30 cm. 2) Colocamos esta laza sobre los extremos del muelle del vagón para experimentos. 3) Acercamos ambos vagones para experimentos hasta que el muelle (con la laza) se sostenga con sus muescas entre ambos vagones. Ambos vagones para experimentos se encuentran en el centro de la pista. Experimento: 1) Quemamos completamente la laza con ayuda de un fósforo, con lo que comienza el movimiento de ambas masas. 2) Medimos la velocidad ajustando previamente la relación entre las velocidades dada por el teorema del impulso, es decir, la relación entre las distancias recorridas en tiempos iguales. Proporcionamos continuamente la posición de los lados exteriores de ambos vagones (posición inicial) y colocamos un jinete al final de la distancia previamente ajustada (posición final). Los dos vagones deben chocar simultáneamente contra los jinetes. 3) Ajustamos sucesivamente el peso dados por la tabla colocando pesos de ranura y llevamos a cabo el experimento. Resultados y conclusiones: Masas Izquierda 100 g 200g 150g 150g 200g Derecha 100g 100g 100g 50g 50g Relación entre las masas Posición inicial Izquierda Derecha 25 15 20 20 20 52 42 47 47 47 Posición final Izquierda Derecha 10 0 10 10 10 67 72 62 77 87 Relación entre las distancias Conclusión: si dos cuerpos actúan uno sobre el otro, es posible calcular la masa de un cuerpo a partir de la relación entre las velocidades después de la interacción y a partir del conocimiento de la masa del otro cuerpo. Para el caso de que dos masas que se encuentren en reposo se pongan en movimiento repeliéndose mutuamente por medio de una acción opuesta de fuerzas, el teorema del impulso nos dice que las velocidades se comportan inversamente proporcionales a las masas. Esto posibilita la determinación dinámica de la masa. 31 Práctica 18 MEDIDA DE LA ACELERACIÓN DE LA GRAVEDAD Objetivo: Medir la aceleración de la gravedad Material: 1 Riel soporte 30 cm. 1 Varilla soporte 25 cm. 1 Varilla soporte 50 cm. 1 Pinza de mesa 2 Nueces 1 Nuez redonda 1 Espiga de cojinetes 1 Portapesas 2 Pesas ranuradas 50 g 1 Cinta métrica 1 Cordón 1 Tijeras Material auxiliar: 1 cronómetro Introducción: Según las leyes de Newton, toda fuerza ejercida sobre un cuerpo le imprime una aceleración. En presencia de un campo gravitatorio, todo cuerpo se ve sometido a la fuerza de la gravedad, y la aceleración que imprime esta fuerza, o aceleración en cada punto del campo, se denomina intensidad del campo gravitatorio. Para la superficie de la Tierra, la aceleración de la gravedad es de 9,8 m/s2. Este valor de g es considerado como el valor de referencia y, así, se habla de naves o vehículos que aceleran a varios g. En virtud del principio de equivalencia, un cuerpo bajo una aceleración dada sufre los mismos efectos que si estuviese sometido a un campo gravitatorio cuya aceleración gravitatoria fuese la misma. Antes de Galileo Galilei se creía que un cuerpo pesado cae más deprisa que otro de menos peso. Según cuenta una leyenda, Galileo subió a la torre inclinada de Pisa y arrojó dos objetos de masa diferente para demostrar que el tiempo de caída libre era, virtualmente, el mismo para ambos. En realidad, se cree hacía rodar cuerpos en planos inclinados y, de esta forma, medía de manera más precisa la aceleración. Desarrollo experimental: Preparación: Montaje de acuerdo a la ilustración. 1) Sujetamos la pinza de mesa con el riel de soporte a la superficie de la mesa. 2) Fijamos perpendicularmente la varilla de soporte a la superficie de la mesa. 3) Fijamos perpendicularmente la varilla de soporte 50 cm. sobre el riel de soporte. 4) Sobre la varilla de soporte fijamos primero la nuez inferior paralela a la superficie de la mesa. 5) Colocando la varilla de soporte 25 cm. por medio de la nuez redonda prolongamos la varilla de soporte. 32 6) Fijamos la nuez superior de tal manera que se proyecte hacia adelante. 7) Fijamos el bulón de cojinetes a la nuez superior de tal manera que se proyecte lo más posible sobre la mesa hacia afuera. 8) Suspendemos el platillo para pesos de un cordón de unos 1.7 m de longitud. 9) Atamos una gaza en el otro extremo del cordón y lo llevamos a través de la perforación del bulón de cojinetes. 10) Enganchamos el cordón en el tornillo moleteado de la nuez inferior. 11) Desplazando la nuez podemos ajustar la longitud del péndulo. La longitud del péndulo es la distancia del bulón de cojinetes hasta el centro de gravedad de la masa suspendida. 12) Colocamos 2 pesas ranuradas de 50 g sobre el platillo para pesas. El centro de gravedad de la masa se encuentra aproximadamente en el centro entre ambas pesas ranuradas la longitud del péndulo debe de ser de unos 70-90 cm. 13) Medimos la longitud del péndulo exactamente hasta los mm. Experimento 1: 1) Medimos el tiempo para 10 oscilaciones y calculamos a partir del mismo el tiempo T para 1 oscilación. Tiempo para 10 oscilaciones:_____s Duración de la oscilación:_____s De la fórmula para la duración de la oscilación T = 2π I/g Obtenemos la aceleración de la gravedad g con g = 4*π2*l T2 Resultado: g = _____m/s2 Resultados y conclusiones: Por medio de un péndulo de hilo, con longitud de péndulo conocida, podemos calcular la aceleración de la gravedad. El valor exacto es de 9.81 m/s2 Calculamos la aceleración de la gravedad para longitudes de péndulo, las cuales se obtienen sumando o restando 5 mm. a la longitud de péndulo a medir. Observemos la fuerte influencia del error al medir la longitud. g= _____m/s2 para I = 1 + 5 mm g= _____m/s2 para I = 1 - 5 mm 33 Práctica 19 MEDICIÓN DE FUERZA Objetivo: Reconocer el concepto de fuerza, interpretar sus unidades y realizar un ejemplo demostrativo al respecto. Medir la fuerza que se necesita para deformar un cuerpo elástico. Material: 1 Muelle helicoidal duro 1 Dinamómetro 2 N 1 Hoja de papel Introducción: Se denomina fuerza a cualquier acción o influencia capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo, es decir, de imprimirle una aceleración modificando su velocidad. La expresión matemática de este concepto físico es la siguiente: F= M*A Donde F = fuerza M= masa A= Aceleración Este concepto es una magnitud vectorial determinada por dirección y sentido de su aplicación Desarrollo experimental: Preparación: Montaje de acuerdo a ilustración 1) Colocamos el muelle helicoidal sobre una hoja de papel como se indica en la ilustración y marcamos sobre la misma su extremo (éste debe estar aprox. en el centro de la hoja). A continuación marcamos 5 puntos a intervalos de 2 cm. respectivamente a partir del extremo. Experimento: 1) Enganchamos el dinamómetro 2 N al extremo derecho del muelle y sostenemos el extremo izquierdo del muelle. 2) Tiramos del dinamómetro y leemos qué fuerza se necesita para la rotación del muelle hasta la marca respectiva. Resultados y conclusiones: Trasladamos los resultados a la tabla. 1 Alargamiento del muelle Fuerza necesaria (N) 2cm 4 cm. 6 cm. 8 cm. 10 cm. Necesitamos una fuerza para poder rotar un muelle helicoidal. Esa fuerza se mide con el dinamómetro. Mientras más alarguemos el muelle, más fuerza necesitaremos. Resultados y Conclusiones: ¿Cuáles son las variables que en este experimento determinan el concepto de Fuerza? ¿Como es la proporcionalidad de la fuerza debida la restitución del resorte cuando este se somete a deformación con el dinamómetro?. Una vez alcanzado el valor de fuerza en el dinamómetro a los diez centímetros de elongación, desplace el dinamómetro hacia el resorte ¿Cuáles son los resultados?, ¿Respecto al concepto de que la fuerza es una magnitud vectorial como explicaría los resultados obtenidos?. 34 Práctica 20 FUERZA DE ROZAMIENTO Objetivo: Aplicar los conocimientos relativos a las fuerzas no conservativas, determinar las variables que afectan al movimiento respecto a la fricción. Medir fuerza de deslizamiento y de rodamiento Material: 1 Paralelepípedo de aluminio 1 Paralelepípedo de hierro pequeño 1 Vagón para experimentos 1 Dinamómetro 2 N 2 Pesas ranuradas 50 g Introducción: Se define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción entre dos superficies en contacto a la fuerza que se opone al movimiento de una superficie sobre la otra (fuerza de fricción cinética) o a la fuerza que se opone al inicio del movimiento (fuerza de fricción estática). Se genera debido a las imperfecciones, especialmente microscópicas, entre las superficies en contacto. Estas imperfecciones hacen que la fuerza entre ambas superficies no sea perfectamente perpendicular a éstas, sino que forma un ángulo φ con la normal (el ángulo de rozamiento). Por tanto, esta fuerza resultante se compone de la fuerza normal (perpendicular a las superficies en contacto) y de la fuerza de rozamiento, paralela a las superficies en contacto. Leyes del rozamiento para cuerpos sólidos • La fuerza de rozamiento se encuentra en la dirección de la superficie de apoyo. • El coeficiente de rozamiento es prácticamente independiente del área de la superficie de contacto. • El coeficiente de rozamiento depende de la naturaleza de los cuerpos en contacto, así como del estado en que se encuentren sus superficies. • La fuerza máxima de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza normal que actúa entre las superficies de contacto. • Para un mismo par de cuerpos, el rozamiento es mayor un instante antes del movimiento que cuando se está en movimiento. Desarrollo experimental: Preparación: 1) Determinamos el peso del paralelepípedo de aluminio y del pequeño paralelepípedo de hierro. El peso del pequeño paralelepípedo de hierro debe ser tan grande como el peso del paralelepípedo de aluminio. Peso del paralelepípedo de aluminio: ______N. Peso del paralelepípedo pequeño de hierro: _____N. Experimento 1: 1) El paralelepípedo de aluminio posee un gancho en la dirección longitudinal. A este enganchamos el dinamómetro 2 N. 2) Colocamos el paralelepípedo sobre una hoja de papel no muy lisa y le cargamos adicionalmente con 2 pesas ranuradas de 50 g. El peso total es: _____N 35 3) Tiramos del paralelepípedo de aluminio con el dinamómetro hasta que lo pongamos en movimiento. La fuerza máxima efectiva la llamamos "rozamiento de adhesión". El rozamiento de adhesión con un peso de 2 N es: _____N Experimento 2: 1) Tiramos del paralelepípedo de aluminio con el dinamómetro de tal manera que este se mueva más o menos uniforme. La fuerza indicada por el dinamómetro es el "rozamiento de deslizamiento” El rozamiento de deslizamiento con un peso de 2 N es: _____N. Experimento 3: 1) Reemplazamos el paralelepípedo de aluminio por el pequeño paralelepípedo de hierro y lo cargamos de la misma manera con ambas pesas ranuradas. El peso no varía, pero la superficie de apoyo ha disminuido. Determinamos de nuevo como en el segundo experimento Rozamiento de deslizamiento. ¿Ha disminuido?. Rozamiento de deslizamiento con una superficie menor: _____N. Experimento 4: 1) Retiramos ambas pesas ranuradas del paralelepípedo de hierro, disminuyendo así el peso en la mitad. Luego medimos de nuevo el rozamiento de deslizamiento. Rozamiento de deslizamiento sin carga adicional (peso 1 N): _____N. Experimento 5: 1) Cargamos de nuevo el paralelepípedo de hierro con las dos pesas de 50g e investigamos la influencia de la superficie sobre el rozamiento de deslizamiento. Medimos el rozamiento de deslizamiento al moverse el cuerpo sobre un pañuelo de papel y sobre una hoja lisa de papel. Rozamiento de deslizamiento con un peso de 2 N sobre un pañuelo de papel: _____ N. Experimento 6: 1) Colocamos el pequeño paralelepípedo de hierro con una pesa ranurada de 50 g sobre el vagón para experimentos. La masa del vagón sustituye a la segunda pesa ranurada de 50 g. Determinamos ahora el "rozamiento de rodamiento": tiramos del vagón con el dinamómetro y lo movemos lo más uniformemente posible sobre la hoja de papel. Rozamiento de rodamiento con un peso de 2 N sobre el papel:_____N Resultados y conclusiones: 1) El rozamiento de adhesión es mayor que el rozamiento de deslizamiento. El rozamiento de rodamiento es menor que el de deslizamiento. 2) El rozamiento de deslizamiento depende del peso del cuerpo pero no del tamaño de la superficie de apoyo. 36 Práctica 21 ALARGAMIENTO DE UN MUELLE HELICOIDAL - LEY DE HOOKE Objetivo: Estudiar la relación entre alargamiento de un muelle y la fuerza empleada. Reconocer el concepto del estipulado por Hooke, entender la naturaleza de la constante de elongación de un resorte. Material: 1 riel de soporte 1 varilla de soporte 25 cm. 1 varilla de soporte 50 cm. 1 pinza de mesa 1 nuez 1 nuez redonda 1 bufón de cojinetes 1 platillo para pesas ranuradas 2 pesos con ranura 50 g 1 muelle helicoidal blando 1 muelle helicoidal duro 1 cinta métrica Introducción: En física, la ley de elasticidad de Hooke o ley de Hooke, originalmente formulada para casos de estiramiento longitudinal, establece que la deformación ε de un material elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada F: Donde: ∆L: alargamiento longitudinal, L: Longitud original, E: módulo de Young o módulo de elasticidad, A sección transversal de la pieza estirada. La ley se aplica a materiales elásticos hasta un límite denominado límite de elasticidad. Esta ley recibe su nombre de Robert Hooke, físico británico contemporáneo de Isaac Newton. Ante el temor de que alguien se apoderara de su descubrimiento, Hooke lo publicó en forma de un famoso anagrama, revelando su contenido un par de años más tarde. Desarrollo experimental: Preparación 1) Montaje de acuerdo con la ilustración. 1) Fijamos al borde de la mesa, la pinza de mesa con el riel de soporte. 2) Unimos con ayuda de la nuez redonda la varilla de soporte 25 cm., a la varilla de soporte 50 cm. 3) Fijamos esta varilla de soporte de 75 cm. de longitud perpendicularmente al riel de soporte. 4) En el tope fijamos una nuez con bulón de cojinetes. 37 5) Suspendemos el muelle helicoidal blando (fácilmente alargable) del bulón de cojinetes y del muelle suspendemos el platillo para pesas ranuradas. 6) Medimos con ayuda de la cinta métrica la distancia entre la superficie de la mesa y el lado inferior del platillo para pesas ranuradas. La fuerza del peso es de 0,1 N. Experimento1 1) Colocamos primero una pesa ranurada de 50 g y luego dos pesas ranuradas de 50 g. El aumento del peso es de respectivamente 0,5 N Y 1 N. La distancia entre la superficie de la mesa y el lado inferior del platillo para pesas ranuradas es menor que con el platillo sin peso alguno. 2) Trasladamos a la tabla los resultados de la medición. Experimento 2 1) Repetimos el experimento con el muelle helicoidal “duro” (se alarga con más dificultad). 2) Trasladamos los resultados a la segunda tabla. Resultados y conclusiones: Muelle blando: Fuerza distancia mesa platillo (cm.) aumento de la fuerza Alargamiento (cm.) Muelle duro: Fuerza distancia mesa platillo (cm.) aumento de la fuerza Alargamiento (cm.) Como puede observar en los resultados el alargamiento es proporcional a la fuerza. El muelle blando se alarga más que el duro al cargarse ambos igualmente Resultados y Conclusiones. Llene las tablas descritas, con los datos obtenidos determine la constante de elongación de los resortes de experimentación. Por medio del análisis dimensional de la expresión de proporcionalidad de la ley de Hooke, exprese las unidades de la constante. 0.5 N 1N 0,1 N (platillo solo) 0,6 N (platillo + un peso) 1,1 N (platillo + 2 pesos) 0.5 N 1N 0,1 N (platillo solo) 0,6 N (platillo + un peso) 1,1 N (platillo + 2 pesos) 38 Práctica 22 DIRECCIÓN DE UNA FUERZA Y PUNTO DE APLICACIÓN Objetivo: Determinar las cualidades de la fuerza respecto a su naturaleza de magnitud vectorial. Conocer la Descomposición de una cantidad vectorial. Material: 1 riel de soporte 1 varilla de soporte 50 cm. 1 pinza de mesa 1 nuez 1 bulón de cojinetes 1 brazo de palanca 1 platillo para pesos con ranura 2 pesos con ranura 50 9 1 dinamómetro 2 N Desarrollo experimental: Preparación: Montaje de acuerdo con la ilustración. 1) Fijamos al borde de la mesa, la pinza de mesa con el riel de soporte. 2) Fijamos la varilla de soporte de 50 cm. perpendicularmente al riel de soporte. 3) Arriba fijamos una nuez. 4) Fijamos el brazo de palanca a la nuez en el orificio superior con ayuda del bulon de cojinetes, de manera que el brazo de palanca pueda girar. 5) Colocamos perpendicularmente el brazo de palanca. 6) Suspendemos de la espiga inferior el platillo para pesas, con 2 pesas ranuradas de 50 g. 7) Enganchamos el dinamómetro a la penúltima espiga. Experimento 1 1) Tiramos con la mano del dinamómetro perpendicularmente hacia abajo. 2) El dinamómetro deberá indicar 1 N. ¿Qué efecto tiene la fuerza? 3) Luego tiramos horizontalmente con la fuerza 1 N. El efecto de la fuerza es ahora distinto. Es decir, para el efecto de una fuerza es decisiva no solamente la cantidad de la fuerza sino también la dirección en la que actúa. Experimento 2: 1) Enganchamos el dinamómetro a la primera espiga bajo el centro y tiramos horizontalmente con la fuerza 1 N. 2) El efecto de la fuerza es ahora distinto del primer experimento. También el punto de aplicación es decisivo para el efecto de una fuerza. Resultados y conclusiones: El efecto de una fuerza depende de tres factores: intensidad, dirección y punto de aplicación. Realice un análisis de fuerzas en el plano cartesiano para el presente experimento determinando las tensiones debidas al peso de cuerpo de experimentación. 39 Práctica 23 PLANO INCLINADO Objetivo: Estudiar la relación entre el peso y la fuerza de suspensión en un plano inclinado Material: 2 Rieles de soporte 1 Varilla de soporte 50 cm. 1 Pieza de unión para rieles 1 Nuez redonda 1 Jinete con tornillo de pariete 1 Porta dinamómetros 2 Pesas ranuradas de 50 g 1 Dinamómetro 2 N 1 Vagón para experimentos 1 Cinta métrica 1 Cordón Tijeras Introducción: El plano inclinado, es una de las máquinas simples, ya que permite reducir la fuerza que es necesaria realizar para elevar una carga. Desarrollo experimental: Preparación: Montaje de acuerdo con la ilustración. 1) Uniendo ambos rieles de soporte con la pieza de unión para rieles construimos una pista. 2) Fijamos en la perforación en el extremo del riel la varilla de soporte de 50 cm. 3) Fijamos a la nuez redonda el otro extremo de la varilla de soporte. 4) Colocamos el riel con ayuda de la varilla de soporte de tal manera que forme un plano inclinado. 5) A continuación deslizamos la varilla de soporte a través del riel de tal manera que el extremo elevado de la pista se encuentre a 12 cm. sobre la mesa. 6) Fijamos el porta dinamómetros al jinete con tornillo de apriete y colocamos éste cerca de la varilla de soporte sobre la pista. 7) Fijamos el dinamómetro al porta dinamómetros con la parte superior (oculta). En esta posición ajustamos exactamente el punto cero del dinamómetro. 8) Fijamos en la perforación del vagón para experimentos un pedazo de cordón y enganchamos a esta gaza el dinamómetro. Experimento 1: Estudiaremos la relación entre el peso del vagón para experimentos y la fuerza de suspensión para un ángulo de inclinación del plano inclinado determinado. La fuerza de suspensión la medimos con el dinamómetro. 1) Por el momento utilizamos el vagón para experimentos sin la pesa ranurada. El vagón tiene una masa de 50 g. Leemos la fuerza indicada por dinamómetro y la trasladamos a la tabla. 40 2) Ahora colocamos primeramente una pesa ranurada de 50 g, luego dos pesas ranuradas de 50 g, determinamos de nuevo la fuerza de suspensión. La masa del vagón es entonces 100 g y 150 g respectivamente. Trasladamos los resultados a la tabla. Experimento 2: Determinaremos la relación entre la fuerza de suspensión y la inclinación del plano indicado. 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, mientras que su peso es de 1 N y 1,5 N respectivamente. 2) Ajustamos la altura de la pista sucesivamente a 12 cm., 24 cm. y finalmente a 36 cm. La longitud del plano inclinado es de 60 cm. Medimos respectivamente las fuerzas de suspensión y trasladamos los resultados a la tabla. Resultados y conclusiones: Resultados experimento 1 Masa del vagón (g) 50 100 150 Peso del vagón (N) 0.5N 1N 1.5N Resultados experimento 2 Alturas h 12 24 36 12 23 36 60 60 60 60 60 60 Longitud (cm.) Inclinación h/l 1N 1N 1N 1.5 N 1.5 N 1.5 N Peso G Fuerza de suspensión (N) F /G Fuerza de suspensión (N) Existe una relación entre la intensidad de la fuerza de suspensión y la inclinación del plano. La relación entre la fuerza de suspensión y el peso del cuerpo es tan grande como la relación entre la altura y la longitud del plano. Es válida por lo tanto la siguiente relación: F / G = h/l 41 Práctica 24 DESCOMPOSICIÓN DE FUERZAS EN EL PLANO INCLINADO Objetivo: Estudiar la descomposición de la fuerza, en fuerzas parciales Material: 2 Rieles de soporte 1 Varilla 1 Pieza de unión para rieles 1 Nuez redonda 1 Jinete con tornillo de apriete 1 Porta dinamómetros 2 Pesas ranuradas de 50 g 2 Dinamómetros 2 N 1 Vagón para experimentos 1 Cinta métrica 1 Cordón Tijeras Introducción: El plano inclinado, es una de las máquinas simples, ya que permite reducir la fuerza que es necesaria realizar para elevar una carga. Imaginemos que queremos arrastrar el peso G desde una altura 1 hasta una altura 2; siendo las posiciones 1 y 2 a las que nos referimos, las del centro de gravedad del bloque representado en la figura. El peso del bloque, (que como sabemos es una magnitud vectorial vertical y hacia abajo), puede descomponerse en dos componentes F1 y F2', paralela y perpendicular al plano inclinado respectivamente: F1 = G·sen(α) F2 = G·cos(α) Plano inclinado y fuerzas existentes Desarrollo experimental: Es posible descomponer una fuerza en dos o más fuerzas parciales. Un ejemplo de lo anterior es la descomposición de la fuerza del peso: sobre un plano inclinado. Preparación Montaje de acuerdo con la ilustración. 42 1) Uniendo ambos rieles de soporte con la pieza de unión para rieles construimos una pista. 2) Fijamos la varilla de soporte de 50 cm. en la perforación en el extremo del riel. 3) Fijamos el otro extremo de la varilla de soporte a través del riel de tal manera que el extremo elevado de la pista se encuentre a 24 cm. sobre la mesa. 4) Fijamos el porta dinamómetros al jinete con tornillo de apriete y colocamos éste cerca de la varilla de soporte sobre la pista. 5) Fijamos el dinamómetro al porta dinamómetros con la parte superior (oculta). En esta posición ajustamos exactamente el punto cero del dinamómetro. 6) Fijamos un pedazo de cordón en la perforación del vagón para experimentos. Enganchamos el dinamómetro a esta gaza. 7) Fijamos una segunda gaza en la torre del vagón para experimentos. Enganchamos el segundo dinamómetro a esta gaza y los sostenemos de tal manera que forme un ángulo recto con la pista. Antes de efectuar la medición tenemos que ajustar en esta posición el punto cero del dinamómetro. Utilizamos el vagón para experimentos primero sin pesa ranurada. El vagón tiene una masa de 50 g. Sostenemos el dinamómetro normal al plano inclinado de tal manera que el vagón apenas no se eleve sobre la pista. Leemos las fuerzas indicadas por ambos dinamómetros y las trasladamos a la tabla. 8) Ahora colocamos primeramente una pesa ranurada de 50 g, luego dos pesas de 50g; determinamos de nuevo las fuerzas. La masa del vagón es entonces 100 g y 150 respectivamente. Trasladamos los resultados a la tabla. Resultados y conclusiones: Altura h (cm.) 12 12 12 24 24 24 Inclinación h/l 0.2 0.2 0.2 0.4 0.4 0.4 Masa 50g 100g 150 50 100 150 Peso (N) 0.5 1 1.5 0.5 1 1.5 Fuerza de Fh Suspensión (N) Fuerza Normal Fn (N) Dibujamos un paralelogramo de fuerzas, escogiendo graduaciones apropiadas para las dimensiones del plano inclinado y para las fuerzas. Nos aseguramos de que la fuerza del peso origine las diagonales en el paralelogramo de fuerzas. La fuerza del peso del vagón origina sobre el plano inclinado una componente de la fuerza en la dirección del plano (fuerza de suspensión) y una componente de la fuerza normal al plano inclinado (fuerza normal). La fuerza del peso origina las diagonales en el paralelogramo de Fuerza 43 Práctica 25 PRESIÓN HIDROSTÁTICA Objetivo: Determinar la presión hidrostática Material: 1 Riel de soporte 1 Varilla de soporte 25 cm. 2 Capuchones de plástico para varillas de soporte 1 Varilla de soporte 10 cm. 1 Varilla de soporte 50 cm. 1 Nuez 1 Nuez redonda 2 Tubitos de vidrio acrílico 1 Juego de sondas de inmersión 1 Manguera de plástico 20 cm 1 Manguera de plástico 45 cm 1 Cilindro graduado 1 Cinta métrica Líquido colorante (azul de metileno) Agua Desarrollo experimental: Preparación Montaje de acuerdo a la ilustración. 1) Insertamos una varilla de soporte 25 cm. a través de la perforación transversal del riel de soporte. 2) Ajustamos la varilla de soporte con ayuda del tornillo moleteado. 3) Colocamos los capuchones de plástico a ambos extremos de la varilla de soporte. 4) Fijamos la varilla de soporte de 50 cm. perpendicularmente al riel de soporte y colocamos arriba sobre la varilla de soporte una nuez. 5) Fijamos la varilla de soporte 10 cm. a la nuez. 6) Colocamos la nuez redonda sobre la varilla de soporte 10 cm. 7) Construimos un manómetro a partir de los dos tubitos de vidrio acrílico y la manguera corta de plástico. 8) Fijamos los tubitos de vidrio acrílico a la nuez redonda. 9) Vertemos agua con un poco de líquido colorante en el manómetro. El nivel del agua debe encontrarse a unos 10 cm. de altura en los tubitos. 10) Llenamos con agua el cilindro graduado hasta aproximadamente 1 cm. bajo su borde. Marcamos el nivel del agua y hacemos marcas a 5 cm. y a 10 cm. respectivamente bajo la primera. Experimento 1: 1) Unimos la sonda recta de inmersión (para la presión desde abajo) con el manómetro por medio de la manguera de plástico. El agua debe encontrarse al mismo nivel en los dos tubitos del manómetro. 2) Sumergimos la sonda de inmersión en el agua del cilindro graduado. 44 3) A continuación sumergimos la sonda de inmersión a 5 cm. y medimos la diferencia de nivel entre las columnas de agua en los tubitos del manómetro. Expresamos la presión hidrostática (la presión alrededor del agua) en milímetros de columna de agua (mm WS). 10 mm de la columna de agua corresponden a la presión de 1 mbar Experimento 2 1) Reemplazamos la sonda recta de inmersión por la sonda de inmersión para la presión desde abajo. 2) Cerramos con el tapón de plástico la abertura lateral de la sonda de inmersión. La presión hidrostática puede ahora actuar sólo desde arriba. El nivel del agua debe ser igual en los dos tubitos del manómetro. 3) Sumergimos de nuevo la sonda de inmersión, primero a 5 cm. de profundidad y luego a 10 cm. de profundidad. Medimos de nuevo la presión hidrostática. Experimento 3 1) Cerramos con el pequeño tapón de plástico la abertura superior de la sonda de inmersión. La presión hidrostática puede actuar sólo desde el lado. El nivel del agua debe ser igual en los dos tubitos del manómetro. 2) Sumergimos de nuevo la sonda de inmersión, primero a 5 cm. de profundidad y luego a 10 cm. de profundidad. Medimos de nuevo la presión hidrostática. Resultados y conclusiones: Experimento 1 Profundidad de sumersión 5 cm. Presión ______mm= _____mbar Experimento 2 Profundidad de sumersión 5 cm. Presión ______mm= _____mbar Experimento 3 Profundidad de sumersión 5 cm. Presión ______mm= _____mbar 10 cm. ______mm= _____mbar 10 cm. ______mm= _____mbar 10 cm. ______mm= _____mbar Conclusiones: 1. La presión hidrostática aumenta al aumentar la profundidad de sumersión. 2. La presión hidrostática es la misma desde todas direcciones a una misma profundidad de sumersión 45 Práctica 26 LEY DE BOYLE-MARIOTTE Objetivo: Comprobar las relaciones entre las variables enunciadas en la ley de Boyle-Mariotte. Conocer y aplicar experimentalmente la ley de Boyle-Mariotte. Material: Jeringa de plástico Juego de pesas Soportes y pinzas. Calibrador Portapesas Pinza para tubo de ensayo 1 cordón Introducción: La ley de Boyle-Mariotte relaciona la presión de un gas con el volumen que éste ocupa cuando la temperatura permanece constante. La Ley de Boyle-Mariotte (o Ley de Boyle, como se la conoce a veces), formulada por Robert Boyle y Edme Mariotte, es una de las leyes de los gases ideales que relaciona el volumen y la presión de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura constante, y dice que el volumen es inversamente proporcional a la presión: donde es constante si la temperatura y la masa del gas permanecen constantes. Cuando aumenta la presión, el volumen disminuye, mientras que si la presión disminuye el volumen aumenta. El valor exacto de la constante k no es necesario conocerlo para poder hacer uso de la Ley; si consideramos las dos situaciones de la figura, manteniendo constante la cantidad de gas y la temperatura, deberá cumplirse la relación: Esta Ley es una simplificación de la Ley de los gases ideales particularizada para procesos isotermos. Junto con la ley de Charles y Gay-Lussac y la ley de Graham, la ley de Boyle forma las leyes de los gases, que describen la conducta de un gas ideal. Las tres leyes pueden ser generalizadas en la ecuación universal de los gases. Desarrollo experimental. El dispositivo experimental utilizado está reflejado en la figura 1b. Observe el tipo de jeringa utilizado. Se prefiere utilizar una de plástico en vez de vidrio porque presenta menos rozamiento. Figura 1a Indica el tipo de jeringa empleado en el experimento. Figura 1b Dispositivo experimental 46 Las cuerdas que tiran del émbolo de la jeringa deben ser resistentes. Observe cómo se disponen las cuerdas. La polea debe ser fuerte para que no ceda ante los pesos que se colocan en los portapesas. Antes de realizar el montaje de la figura 1 se lubrica el émbolo y la parte interior de la jeringa. No utilizar grasa sólida. La primera medida se hace con un volumen de aire inicial (en nuestro experimento de 10 ml) que se encuentra a la presión atmosférica. Esta medida se hace sin apretar la pinza de tubo de ensayo. Observe que para mantener tensa la cuerda se coloca un portapesas cuya masa es 20 gramos. A continuación se aprieta la pinza para tubo de ensayo y se cuelgan pesas en el portapesas y se leen los correspondientes volúmenes. Para evitar, en lo posible, medidas erróneas, una vez que ha colocado las pesas comprima el émbolo y lo suelta para que vaya a su posición de forma espontánea, también puede estirarlo y dejar que vuelva a su posición. Conviene hacer tres o cuatro operaciones como las señaladas y tomar el valor medio del volumen. Observe la secuencia de 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 ampliado la imagen de la jeringa para que pueda leerse el volumen ocupado por el gas. 47 48 Presión atmosférica, Pat = …………. mmHg = …………. Pa Diámetro del émbolo D = ………. cm. = ………. m Superficie del émbolo, S =(D *Dπ)/4= ………. m2 Resultados y Conclusiones: a) La presión del gas en el eje de ordenadas frente al volumen en el eje de abscisas; b) Represente la presión en el eje de ordenadas frente al inverso del volumen en el eje de abscisas. c) Determine la proporcionalidad entre la presión y el volumen en los experimentos. Inicialmente el aire contenido en la jeringa se encuentra a la presión atmosférica. Cuando se cierra la goma con la pinza de Mohr y se colocan pesas en el portapesas el volumen del gas aumenta y la presión disminuye: Se produce un equilibrio de fuerzas tal como indica la figura 2. Como todas actúan sobre la superficie del émbolo podemos escribir que FPat =Pat.S ; Fpesas = Peso de las pesas =P ; Fgas = Pgas .S Como FPat = P+Fgas ; Pat.S = P+ Pgas .S ; Pgas = Pat -S 49 Práctica 27 CONSERVACION DEL MOVIMIENTO EXPERIMENTOS CON CHOQUES. CANTIDAD DE MOVIMIENTO Objetivo: Comprobar los procesos presentes en los choques elásticos según la mecánica de Newton Material: 1 pista 2 carritos de experimentación 4 pesas 50 g. 2 jinetes 2 muelles Introducción: Cuando dos cuerpos chocan puede que parte de la energía que lleve, se utilice en deformarlos o bien se disipe en forma de calor, o puede ser que la perdida sea despreciable. Si en un choque se conserva la energía cinética total de las partículas, el choque se considera elástico. En este caso, la conservación del momento lineal y de la energía cinética determina totalmente la velocidad de cada partícula tras el choque. Aunque en la naturaleza no se puede decir que existan choques totalmente elásticos, hay muchos casos en que la variación de la energía en un choque es tan pequeña que no se puede detectar. En estas circunstancias diremos que el choque es elástico. Desarrollo experimental: Preparación: Montaje de acuerdo a la ilustración. 1) Colocamos un muelle parachoques en uno de los vagones y lo colocamos sobre la pista. 2) Colocamos a ambos extremos de la pista jinetes de tal manera que podamos detener el vagón. 3) Uno de los jinetes representa una “pared sólida”, contra la que el vagón choca. Experimento 1 1) Deslizamos el vagón hacia un extremo de la pista y lo colocamos en movimiento en dirección al jinete del otro extremo de la pista. El vagón choca contra el jinete. 2) Comparamos por medio de una apreciación sencilla la velocidad del vagón antes y después del choque. ¿Refleja la pared el cuerpo elástico con la misma velocidad?. Experimento 2 1) Hacemos rodar uno contra el otro dos vagones equipados con muelles parachoques, de manera que se encuentren aproximadamente en la mitad de la pista. 2) Las velocidades de los vagones debe ser la misma (pero en dirección contraria). En un caso ideal, ambos vagones deberán cambiar la dirección de su velocidad. 50 Experimento 3 1) Colocamos a cada uno de los dos vagones un muelle y una pesa ranurada. 2) Colocamos un vagón en el centro de la pista. Hacemos rodar el segundo vagón contra el primero. 3) Comparamos por medio de una apreciación sencilla las velocidades antes y después del choque. El vagón que choca, en un caso ideal, debe detenerse completamente, mientras que el vagón contra el que se choca debe obtener la velocidad del vagón que choca. Experimento 4 1) Cargamos uno de los vagones con 4 pesas ranuradas mientras que el otro no lo cargamos. La masa pequeña debe permanecer en reposo mientras que la masa más grande debe chocar elásticamente contra aquella. ¿Qué sucede después del choque?. En un caso ideal, la masa pequeña debe ser impulsada con una velocidad mayor, mientras que la masa más grande, es decir la que choca, debe continuar moviéndose a una velocidad menor. Experimento 5 1) Dejamos en reposo la masa más grande. La masa pequeña deberá ser reflejada con una velocidad menor mientras que la masa más grande recibe un empujón hacia adelante. Resultados y Conclusiones: El producto de la masa y la velocidad se llama impulso. En cada caso, el impulso total (impulso de un vagón + impulso del segundo vagón) es antes del choque igual al impulso total después del choque. Mediante las formulaciones apropiadas compruebe el cumplimiento del experimento. Realice un balance para determinar la conservación del movimiento, compare este experimento con el principio de funcionamiento de la máquina de Newton de movimiento perpetuo. 51 Práctica 28 CONSERVACION DE ENEGIA MECANICA ENERGIA POTENCIAL Y CINÉTICA Objetivo: Estudiar la transformación de energía potencial en energía cinética. Realizar el balance en un experimento de la conservación de la energía según su ecuación general. Material: 1 pista 1 varilla soporte 6 cm. 1 carrito de experimentación 1 pesa ranurada 10 g 3 pesa ranurada 50 g 1 portapesas 1 jinete con tornillo de apriete 1 polea con estribo 1 generador de marcas de tiempo 1 cinta métrica 1 cinta registradora de papel metalizado 1 tijera 1 cordón 2 cables de conexión Fuente de alimentación Etiquetas adhesivas Introducción: La energía potencial es la capacidad que tienen los cuerpos para realizar un trabajo, dependiendo de la configuración que tengan en un sistema de cuerpos que ejercen fuerzas entre sí. Puede pensarse como la energía almacenada en un sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Más rigurosamente, la energía potencial es una magnitud escalar asociado a un campo de fuerzas (o como en elasticidad un campo tensorial de tensiones). Cuando la energía potencial está asociada a un campo de fuerzas, la diferencia entre los valores del campo en dos puntos A y B es igual al trabajo realizado por la fuerza para cualquier recorrido entre B y A. La energía cinética es la energía que posee un cuerpo de masa m por encontrarse en movimiento. Es un error común creer que por "movimiento" se habla de movimiento lineal v. Existe también el movimiento angular ω, y no puede ser ignorado. Desde un punto de vista formal, la energía cinética es el trabajo necesario para acelerar una partícula desde una velocidad (angular y lineal) nula hasta una velocidad (angular y lineal) dada. Las unidades del SI para la energía son julios o joules. Desarrollo experimental: Preparación Montaje de acuerdo a la ilustración. 1) Colocamos la pista sobre la mesa y el vagón para experimentos (junto con tres pesas ranuradas) sobre la pista. La masa del vagón es de 200 g. 2) Elevamos un poco (aproximadamente 1,5 cm.) un extremo de la pista con ayuda de la varilla de soporte 6 cm. Esta elevación deberá contrarrestar el rozamiento. 52 3) Sobre el extremo elevado colocamos el generador de marcas de tiempo. Sobre el otro extremo de la pista colocamos el jinete, el cual deberá evitar que el vagón ruede hacia abajo. 4) Fijamos la polea en la perforación de la pista y la aseguramos por medio del tornillo moleteado. La polea no debe salirse de la mesa. 5) Tiramos a través del generador de marcas de tiempo una cinta de papel metalizado de aproximadamente 1 m de longitud y la fijamos al vagón por medio de una etiqueta adhesiva. 6) Aseguramos el otro extremo de la cinta registradora a la pinza de cocodrilo en el generador de marcas de tiempo. Conectamos el generador de marcas de tiempo a una corriente alterna de 15 V. 7) Deslizamos el vagón (con la cinta que se encuentra a través del generador de marcas de tiempo a una corriente alterna de 15 V). 8) Deslizamos el vagón (con la cinta que se encuentra a través del generador de marcas de tiempo) completamente hasta el generador de marcas de tiempo. Si el ajuste de la fuerza efectiva es de 0,2 N la carga deberá encontrarse exactamente 40 cm. sobre el piso. Podemos obtener la posición deseada deslizando el vagón. Luego fijamos de nuevo el vagón por medio del jinete. Experimento 1) Después de controlar la altura exacta sobre el piso (40cm) presionamos la tecla “100ms” en el generador de marcas de tiempo y dejamos libre el vagón. El vagón es detenido al final de la pista por el jinete. Entonces retiramos la cinta registradora del soporte. 2) EI vagón ha experimentado primeramente un movimiento uniformemente acelerado. Esto lo podemos reconocer observando los intervalos cada vez más grandes entre los puntos de marcación sobre la cinta registradora. A partir del punto en el que el platillo para pesas con la pesa ranurada ha golpeado contra el suelo, el vagón ha continuado desplazándose a una velocidad aproximadamente uniforme. 3) Los intervalos entre los puntos de marcación son entonces iguales. 4) Repetimos el experimento con dos pesos de ranura. Resultados y conclusiones: Determinamos la velocidad final del vagón a partir de las marcas de las décimas de segundo: ∆s= _____cm.= _____m v = ∆s/∆t = (_____m/O, 1) m/s = _____m/s \/elocidad final v del vagón:_____ m/s Este resultado lo comparamos con la velocidad final calculada a partir del teorema de la energía: Energía cinética = energía potencial M*v2/ 2 = 2*m*g*h v =√ 2 m*g*h/m m = 0,02 kg M = 0,22 kg h = 0,4 m Para la demostración de la ley de la conservación de la energía mecánica determine la energía potencial y cinética en los siguientes momentos: Cuando el carro se encuentra en reposo a la máxima altura y un momento antes del choque contra el jinete (No olvide unificar unidades). Con los datos obtenidos sustituya en la siguiente ecuación. Ec= Ep, Ec-Ep= 0 (Conservación de la energía mecánica). El valor obtenido de esta ecuación debe ser cero en condiciones ideales o lo más cercano. Pudieran obtenerse en valores positivos resultado satisfactorio físicos no controlados (fricción, temperatura, velocidad del aire). Conclusión: En la transformación de energía potencial en energía cinética, la velocidad final depende de la altura, de la masa a acelerar y de la masa acelerante. 53 Práctica 29 TRABAJO MECÁNICO Objetivo: Practicar el cálculo del trabajo efectuado Material: 1 paralelepípedo de hierro grande 1 dinamómetro 2 N 1 cinta métrica Introducción: El concepto de trabajo mecánico aparece estrechamente vinculado al de fuerza. De este modo, para que exista trabajo debe aplicarse una fuerza mecánica a lo largo de una cierta trayectoria. En términos físicos, el trabajo W se define como el producto escalar de la fuerza aplicada por la distancia recorrida. En términos físicos, el trabajo W se define como el producto escalar de la fuerza aplicada por la distancia recorrida. donde α es el ángulo que forman la dirección de la fuerza y el desplazamiento. Así pues, el trabajo es una magnitud escalar, que alcanza su valor máximo cuando la fuerza se aplica en la dirección y el sentido del movimiento. Desarrollo experimental: Experimento 1: trabajo de elevación 1) Suspendemos el paralelepípedo grande de hierro del dinamómetro 2 N y medimos la fuerza del peso: Peso del paralelepípedo de hierro: _____N. 2) A continuación elevamos verticalmente el paralelepípedo de hierro unos 60 cm. La distancia es por lo tanto de s = 0,6 m. Calculamos el trabajo con ayuda de la fórmula "trabajo" = fuerza x distancia. La unidad del trabajo es 1 Joule (1 J) Experimento 2: trabajo de rozamiento: 1) Colocamos el paralelepípedo grande de hierro sobre la mesa y enganchamos el dinamómetro 2N a los ganchos del paralelepípedo de hierro. 2) Tiramos del paralelepípedo uniformemente unos 60 cm. sobre la mesa y medimos la fuerza de rozamiento. Luego calculamos el trabajo de rozamiento. Resultados y conclusiones: Experimento 1 Trabajo =_____N x_____ m= _____J Experimento 2 Fuerza de rozamiento: _____N Trabajo = _____N x _____m= _____J Calculamos el trabajo multiplicando la fuerza por la distancia. La fuerza utilizada para el cálculo tiene que actuar en la dirección del movimiento. 54 Práctica 30 TRABAJO SOBRE EL PLANO INCLINADO Objetivo: Comprobar si en el movimiento sobre un plano inclinado es posible ahorrar trabajo Material: 2 rieles de soporte 1 varilla de soporte 50 cm. 1 pieza de unión para rieles 1 nuez redonda 3 pesos de ranura 50 g 1 dinamómetro 2 N 1 vagón para experimentos 1 cinta métrica 1 cordón Tijeras Introducción: Plano inclinado, plano que forma un cierto ángulo con otro plano horizontal; este dispositivo modifica las fuerzas y se puede considerar como una máquina. También se conoce con el nombre de rampa o pendiente. Una de las formas más sencillas de hacer subir un objeto, por ejemplo un bloque, es arrastrarlo por un plano inclinado. La fuerza que se necesita para arrastrar el bloque a lo largo de un plano inclinado perfectamente liso, es decir, en el que no actúan fuerzas de rozamiento, es menor que el peso del bloque. Por eso se dice que el plano inclinado ofrece una ventaja mecánica, pues aumenta el efecto de la fuerza que se aplica. Sin embargo, el bloque debe ser arrastrado a lo largo de una distancia mayor para conseguir la misma elevación, ya que la fuerza que es necesario ejercer para ascender el bloque por el plano inclinado es tanto menor cuanto mayor es la longitud del mismo Desarrollo experimental: Preparación: Montaje de acuerdo con la ilustración. 1) Construimos una pista uniendo ambos rieles de soporte con ayuda de la pieza de unión para rieles. 2) Fijamos la varilla de soporte 50 cm. en la perforación al final del riel. 3) Fijamos el otro extremo de la varilla de soporte a la nuez redonda. 4) Colocamos el riel con ayuda de la varilla de soporte a la nuez redonda. 5) Colocamos el riel con ayuda de la varilla de soporte de tal manera que forme un plano inclinado. 6) A continuación deslizamos la varilla de soporte a través del riel de tal manera que el extremo elevado de la pista se encuentre 36 sobre la mesa. 55 Experimento 1 1) Hacemos una gasa a través de la perforación que se encuentra en la torre del vagón para experimentos. 2) Colocamos sobre el vagón para experimentos 3 pesas ranuradas de 50 g cada uno. Su masa es así 200 g., su peso es de 2 N. 3) Sostenemos el dinamómetro perpendicularmente y ajustamos en esta posición el punto cero. 4) Enganchamos el vagón con las pesas ranuradas al dinamómetro y lo elevamos perpendicularmente hacia arriba desde la superficie de la mesa hasta el extremo elevado de la pista. La fuerza necesaria es de 2 N. Calculamos el trabajo realizado. Experimento 2 1) Sostenemos el dinamómetro paralelo al plano inclinado y ajustamos en esta posición el punto cero. 2) Hacemos una gaza a través de la perforación del vagón, a la cual podamos enganchar el dinamómetro. 3) Colocamos el vagón en el extremo inferior de la pista y lo tiramos con ayuda del dinamómetro hasta el extremo superior de la pista. 4) Leemos en el dinamómetro la fuerza de suspensión y calculamos el trabajo. La longitud del plano inclinado es de 60 cm. Resultados y conclusiones: Experimento 1 Fuerza G = 2 N Distancia h = 0,36 m Trabajo W1 = G x h =_____ J Experimento 2 Fuerza FH = _____N, Distancia I = 0,6 m Trabajo W2 = FH X I = _____J Conclusión: Con ayuda del plano inclinado no es posible ahorrar trabajo. Si ahorramos fuerza tenemos que recorrer una distancia mayor. El producto de la fuerza por la distancia permanece igual. 56 Práctica 31 POTENCIA MECANICA CALCULO DE LA POTENCIA MECANICA Objetivo: Determinar la potencia mecánica desarrollada por un carro motorizado de prueba ascendiendo sobre un riel inclinado. Material: 1 Carro para experimentos con motor. 1 Riel de 30 cm., y su pieza de unión. 2 Topes ajustables deslizables al riel. 1 Varilla de soporta de 50 cm. 1 base para varilla de soporte. 2 Soporte Universal 2 pinzas 2 foto-puertas 1 interfase. Computadora Introducción: El trabajo, o transferencia de energía, realizado por unidad de tiempo. El trabajo es igual a la fuerza aplicada para mover un objeto multiplicada por la distancia a la que el objeto se desplaza en la dirección de la fuerza. La potencia mide la rapidez con que se realiza ese trabajo. En términos matemáticos, la potencia es igual al trabajo realizado dividido entre el intervalo de tiempo a lo largo del cual se efectúa dicho trabajo. La potencia siempre se expresa en unidades de energía divididas entre unidades de tiempo. La unidad de potencia en el Sistema Internacional es el vatio, que equivale a la potencia necesaria para efectuar 1 joule de trabajo por segundo. Una unidad de potencia tradicional es el caballo de vapor (CV), que equivale aproximadamente a 746 vatios. Su unidad de tiempo siempre es el segundo. Desarrollo experimental: 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 superficie antiderrapante del área de trabajo del LDM. 1) Realiza los procedimientos de Inicio, y conexión de la interfase con la computadora descritos en “Guía De Experimentación Con Interfase, Sensores Y Computadora (Software Excel)”, Inicia el Programa Excel para la adquisición de datos con el sensor fotopuerta. Determina el intervalo de tiempo para las mediciones por medio del temporizador. 2) Coloque 2 Topes ajustables deslizables al riel uno de cada extremo del riel como retenes. 3) Coloque una pinza de tres dedos en cada soporte universal una de ellas a la altura del inicio de la rampa y la otra a la altura del otro extremo 4) Sujete en cada pinza una foto-puerta de tal forma que sea registrado el paso del carro de experimentación. 5) Encienda y ajuste los valores como preparativo de adquisición de datos con la interfase. 6) Pese el carro de experimentación. 7) Coloque el carro sobre el riel en su parte inferior y enciéndalo con su interruptor 8) Realice el punto seis con una velocidad diferente mediante el interruptor de velocidad del carro. Resultados y Conclusiones Usar la fórmula W = mgh, para obtener el trabajo realizado. Obtener la Potencia Usar la fórmula P = W/t, para obtener la potencia desarrollada ¿Cuánto trabajo realizaste en Joules (J)? ¿Cuál es el cambio en la energía potencial? ¿Cuál es la potencia? Elaborar de manera individual el reporte escrito de la práctica que deberá incluir las conclusiones de la misma. 57 Práctica 32 POLEA FIJA Objetivo: Determinar si este tipo de polea permite ahorrar fuerza En los terrenos de obras podemos observar cómo una carga es tirada sobre una polea montada firmemente. ¿Es posible de esta manera ahorrar fuerza, es decir, tirar con una fuerza menor a la fuerza del peso de la carga? Material: 1 Riel de soporte 1 Varilla de soporte 25 cm. 2 Capuchones de plástico para varillas de soporte 1 Varilla de soporte 50 cm. 1 Nuez 1 Bulón con cojinetes 1 Polea 1 Dinamómetro 2 N 1 Platillo para pesos de ranura 3 Pesas de ranura 50 g 2 Pesas de ranura 10 g 1 Cordón 1 Tijeras Introducción: Por definición, cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo (F) y lo desplaza una cierta distancia (r) se dice que se realiza un trabajo mecánico. L=F*r Para jalar material, rescatar un herido o un compañero que ha caído en una grieta se ejerce un trabajo mecánico, ya que desplazamos un peso (entiéndase peso como una masa bajo la influencia de la gravedad, P=m*g) una cierta distancia. Las poleas fijas se utilizan para modificar la dirección del movimiento y reducir el rozamiento de la cuerda en los cambios de sentido. Con este tipo de poleas no se disminuye la fuerza, sólo se desvía. En este caso la distancia que recorre el peso es el mismo que la distancia de tiro. F=P 58 La ventaja de utilizar poleas fija viene del hecho que podemos ayudarnos de nuestro propio peso corporal para ejercer la fuerza de tiro. Desarrollo experimental: Preparación: Montaje de acuerdo con la ilustración. 1) Insertamos una varilla de soporte 25 cm. a través de la perforación transversal del riel de soporte. 2) Ajustamos la varilla de soporte con ayuda del tornillo moleteado. 3) Colocamos los capuchones de plástico a ambos extremos de la varilla de soporte. 4) Fijamos la varilla de soporte 50 cm. normal al riel de soporte y sobre el mismo. Fijamos la nuez a la varilla de soporte normal. 5) Aseguramos la polea en la nuez con ayuda del bulón de cojinetes. 6) Atamos gazas a ambos extremos de un cordón de aprox. 30 cm. Llevamos el cordón sobre la polea fija. Sostenemos verticalmente un dinamómetro (la parte movible hacia arriba) y ajustamos el punto cero en esta posición. Experimento 1) Preparamos sucesivamente con los platillos y los pesos de ranura cargas de 60 g, 120g y 180 g. 2) Suspendemos cada carga del extremo del cordón y la sostenemos con ayuda del dinamómetro, el cual lo suspendemos de la gaza del otro extremo del cordón. 3) Trasladamos a la tabla la fuerza de tracción indicada por el dinamómetro. Tenemos que sostener el dinamómetro inclinado. Así no es posible que se den errores, ya que no hemos ajustado el punto cero para esta posición. Resultados y conclusiones: Masa de la carga Peso de la carga Fuerza de tracción 60 g 0.6 N _____N 120 g 1.2 N _____N 180 g 1.8 N _____ N La fuerza de tracción es tan grande como la carga. Conclusión: la polea fija no hace posible un ahorro de fuerza. La polea nos sirve para cambiar la dirección de la fuerza por una dirección que nos sea más cómoda. 59 Práctica 33 POLEA MOVIL Objetivo: Determinar si con la polea móvil se tiene un ahorro de fuerza Material: 1 Riel de soporte 1 Varilla de soporte 25 cm. 2 Capuchones de plástico para varillas de soporte 1 Varilla de soporte 50 cm. 1 Nuez 1 Bulón de cojinetes 1 Polea con estribo 2 Dinamómetros 2 N 1 Platillo para pesos de ranura 3 Pesas ranuradas 50 g 2 Pesas ranuradas 10 g 1 Cordón 1 Tijeras Introducción: Las poleas móviles tienen movimiento de traslación y la carga se reparte por igual sobre los segmentos de la cuerda, por lo que el esfuerzo se reduce (se multiplica la fuerza). F=P/2 Atendiendo a la fórmula del trabajo mecánico, para un trabajo determinado al reducir la fuerza ejercida, se incrementará la distancia del recorrido. Por otro lado para elevar una carga se debe hacer fuerza en sentido ascendente (más incómodo y poco efectivo). Desarrollo experimental: Preparación Montaje de acuerdo con la ilustración. 60 1) Insertamos una varilla de soporte 25 cm. a través de la perforación transversal del riel de soporte. 2) Ajustamos la varilla de soporte con ayuda del tornillo moleteado. 3) Colocamos los capuchones de plástico a ambos extremos de la varilla de soporte. 4) Fijamos la varilla de soporte 50 cm. normal al riel de soporte y sobre el mismo. Fijamos la nuez a la varilla de soporte normal. 5) Fijamos el bulon de cojinetes a la nuez. 6) Atamos gazas a ambos extremos de un cordón de unos 30 cm. de longitud. 7) Enganchamos una gaza al bulón de cojinetes. 8) Enganchamos el dinamómetro 2 N a la otra gaza. 9) Enganchamos la polea con el estribo a la gaza de tal manera que estribo de la polea se encuentre hacia abajo. 10) Ajustamos el punto cero del dinamómetro mientras éste se encuentre hacia abajo. 11) Ajustamos el punto cero del dinamómetro mientras éste se encuentra enganchado a la polea (de esta manera taramos el peso propio de la polea). Experimento 1: 1) Preparamos sucesivamente con los platillos y los pesos de ranura cargas de 60 g, 120 g y 180 g respectivamente. 2) Suspendemos estas cargas de la corcheta del estribo de la polea. 3) Leemos en el dinamómetro la fuerza de tracción necesaria. 4) Trasladamos los valores a la tabla 1. Experimento 2: 1) Retiramos el cordón del bulón de cojinetes y deslizamos la nuez con el bulón de cojinetes hacia el extremo superior de la varilla de soporte. 2) Ahora suspendemos un segundo dinamómetro 2 N del bulón de cojinetes. 3) Ajustamos el punto cero del dinamómetro. 4) Enganchamos el cordón por una de las gazas al dinamómetro, enganchamos el otro dinamómetro del otro extremo del cordón y enganchamos la polea al cordón. El dinamómetro en el bulón de cojinetes mide la carga que debe soportar la suspensión. Nos aseguramos de que la suspensión soporte constantemente el resto de la carga. Resultados y conclusiones: Experimento 1 Masa de la carga Peso de la carga Fuerza de tracción 60 g 0.6 N _____N 120 g 1.2 N _____N 180 g 1.8 N _____ N La fuerza de tracción es constantemente solo la mitad de la carga ¿Ha desaparecido una parte de ka fuerza del peso?. Conclusión: con la polea móvil logramos un ahorro de fuerza. La fuerza necesaria es la mitad de carga. 61 Práctica 34 POLIPASTO SENCILLO Objetivo: Determinar como se constituye un polipasto sencillo. Material: 1 Riel de soporte 1 Varilla de soporte 25 cm. 2 Capuchones de plástico para varillas de soporte 1 Varilla de soporte 50 cm. 1 Nuez 1 Bulón de cojinetes 1 Polea 1 Polea con estribo 1 Dinamómetro 2 N 1 Platillo para pesas ranuradas 3 Pesas ranuradas 50 g 2 Pesas ranuradas 10 g 1 Cordón 1 Tijeras Introducción: El polipasto es una combinación de poleas fijas y móviles recorridas por una cuerda que tiene uno de sus extremos anclado en un punto fijo. Como el polipasto es el resultado de la combinación de los dos tipos de poleas, se beneficia de la ventaja de ambos sistemas: "disminuir el esfuerzo y una correcta dirección de tiro". En función del número de poleas móviles que formen el conjunto se tendrá una mayor desmultiplicación de la fuerza ejercida. El número de poleas pueden llegar a ser un inconveniente porque la distancia a la que puede elevarse una carga depende de la distancia entre las poleas. Los equipos de rescate para evitar este problema utilizan poleas fijas y móviles acopladas en ejes comunes. En la práctica el máximo número de poleas móviles que se utilizan es de 4, siendo el más habitual el de 1 o 2 poleas móviles. Cabe destacar que estos cálculos son bajo situaciones ideales ya que se considera que la masa de la cuerda y de la polea son despreciables, que no existe rozamiento en el giro de la polea sobre su eje ni entre la polea y la cuerda que realiza el esfuerzo, que el radio de la poleas es igual y que no existe dinamismo en la cuerda, por lo que los datos obtenidos en la laboratorio no alcanzan el valor teórico. Lo que si que influye verdaderamente es la dirección de tiro (y esto no lo tiene todo el mundo en cuenta). En las suposiciones anteriores se ha considerado que la dirección de tiro y la carga se encontraban paralelas. Pero si no se cumple este requisito la fuerza depende del ángulo. Para simplificar supongamos una polea móvil: F = P x cos a / 2 Con lo que al variar el ángulo "a" obtendremos distintas ganancias mecánicas. 0º -> P/2 30º -> P/1.7 45º -> P/1.4 60º -> P De esta forma cuanto mayor sea el ángulo menor será la ganancia. Evidentemente el ángulo óptimo será el de 0º. Por último, otro factor influyente es el rozamiento de la cuerda en terreno inclinado o en el labio de una grieta. Este valor no es fácilmente cuantificable, pero su influencia es significativa 62 Desarrollo experimental: Preparación Montaje de acuerdo con al ilustración. 1) Insertamos una varilla de soporte 25 cm. a través de la perforación transversal del riel de soporte. 2) Ajustamos la con ayuda del tornillo moleteado. 3) Colocamos los capuchones plásticos ambos extremos la varilla de soporte. 4) Fijamos varilla de soporte 50 cm. normal al riel de soporte y sobre el mismo. Fijamos la nuez a la varilla de soporte normal. 5) Fijamos la polea sin el estribo - a manera de polea fija - a la nuez por medio del bulón de cojinetes. 6) Atamos gazas a ambos extremos de un cordón de unos 70 cm. longitud. 7) Enganchamos una gaza al bulón de cojinetes y de allí la llevamos sobre la polea con estribo sobre la polea fija. Suspendemos el dinamómetro 2 N del otro extremo del cordón, sosteniendo a aquél verticalmente (con la parte movible hacia arriba). 8) Ajustamos en esta posición el punto cero, con lo que taramos el peso de la polea móvil. Experimento 1) Formamos sucesivamente con los platillos y los pesos de ranura cargas de 60 g, 120 g y 180 g respectivamente. 2) Suspendemos estas cargas de la corcheta del estribo de la polea móvil. 3) Leemos en el dinamómetro la fuerza de tracción necesaria. 4) Trasladamos los valores a la tabla. Resultados y conclusiones: Masa de la carga Peso de la carga Fuerza de tracción 60 g 0.6 N _____N 120 g 1.2 N _____N 180 g 1.8 N _____ N Conclusión: El polipasto une las ventajas de las poleas fija y móvil. El polipasto sencillo, consistente de una polea fija y una móvil, posibilita un ahorro de energía de la mitad de la carga. El ahorro de fuerza proviene de la polea móvil, el cambio de dirección a una dirección para nosotros cómoda proviene de una polea fija. 63 Práctica 35 PALANCA DE DOS LADOS Objetivo: Buscar la condición de equilibrio para una palanca sobre cuyos dos lados actúan fuerzas Material: 1 riel de soporte 1 varilla de soporte 25 cm. 2 capuchones de plástico para varillas de soporte 1 varilla de soporte 50 cm. 1 nuez 1 bulón de cojinetes 1 brazo de palanca 2 platillos para pesos de ranura 4 pesas ranuradas de 50 g 4 pesas ranuradas de 10 g Introducción: La palanca es una máquina simple compuesta por una barra rígida que puede girar libremente alrededor de un punto de apoyo, o fulcro. Puede utilizarse para amplificar la fuerza mecánica que se aplica a un objeto, o para incrementar la distancia recorrida por un objeto en respuesta a la aplicación de una fuerza. Desarrollo experimental: Preparación Montaje de acuerdo con la ilustración. 1) Insertamos la varilla de soporte 25 cm. a través de la perforación transversal del riel de soporte. 2) Colocamos los capuchones de plástico a ambos extremos de la varilla de soporte. 3) Ajustamos la varilla de soporte con ayuda del tornillo moleteado. 4) Fijamos la varilla de soporte 50 cm. perpendicularmente al riel de soporte. 5) Arriba, sobre la varilla de soporte fijamos una nuez. 6) Fijamos el brazo de palanca a la nuez en el orificio superior con ayuda del bulón de cojinetes, de manera que el brazo de palanca pueda girar. El brazo de palanca posee espigas de plástico a intervalos de 2 cm. respectivamente. De esta manera podemos calcular fácilmente la distancia al eje de rotación. Como fuerza efectiva utilizamos las fuerzas del peso de dos masas, las cuales están formadas por un platillo (masa 10g) y por pesas de ranura (masa 10 g o 50 g respectivamente). Experimento: 1) Se proporciona con anticipación el brazo de fuerza izquierdo (o sea la distancia del eje de rotación) respectivamente, mientras que determinamos por medio del experimento el brazo derecho de fuerza, con el cual obtenemos el equilibrio. Trasladamos los resultados del experimento a la tabla. 64 Resultados y conclusiones: Masa Izquierda (g) 60 60 60 20 20 20 10 10 10 60 Fuerza F1 izquierda (N) Brazo de fuerza I1, izquierdo (divisiones) 4 8 10 3 6 9 6 7 8 8 Masa derecha (g) 120 120 120 60 60 60 60 70 80 80 Fuerza F2 izquierda (N) Brazo de fuerza I2, izquierdo (divisiones) En la palanca de dos lados existe el equilibrio cuando se cumple la condición siguiente: Fuerza x brazo de fuerza (izquierda) = Fuerza x brazo de fuerza (derecha). Indicación: Damos siempre la fuerza del peso con un pequeño error cuando damos para la masa 10 g, la fuerza del peso de 0.1 N. El cálculo de las divisiones de la palanca en cm. es fácil de llevar a cabo, si así se desea. 65 Práctica 36 PRINCIPIO DE ARQUIMIDES Objetivo: Comprobar el principio de Arquímedes Material: 1 Riel de soporte 2 Varillas de soporte 25 cm. 2 Capuchones de plástico para varillas de soporte 1 Varilla de soporte 50 cm. 1 Nuez 1 Bulón de cojinetes 1 Nuez redonda 1 Paralelepípedo de aluminio 1 Paralelepípedo hueco 1 Cilindro graduado 1 Vaso de precipitados 1 Dinamómetro 2 N 1 Cordón 1 Tijeras Agua Introducción: Principio de Arquímedes El hecho de que algunos objetos puedan flotar o que parezcan ser más ligeros cuando se sumergen en un líquido, se debe a una fuerza ascendente que ejercen los fluidos sobre los cuerpos totales o parcialmente sumergidos en ellos. Fue el sabio griego Arquímedes (287- 212ª.C.) quien primero estudió este fenómeno, el cual se conoce precisamente como principio de Arquímedes. Este principio establece que: Todo cuerpo sumergido en un fluido sufre un empuje hacia arriba con una fuerza igual al peso del fluido que se desplaza. Arquímedes, gran pensador griego nació en Siracusa. Estudió las leyes fundamentales de la mecánica, la hidrostática y muchos conceptos matemáticos. Sobre él se han escrito varias anécdotas, entre las que destaca aquella cuando afirmó: "Dadme un poco de apoyo y moveré al mundo". Supongamos que un recipiente flota en un líquido. La posición del recipiente que se encuentra sumergida en el líquido está desplazado hacia los lados un volumen de líquido igual a esa posición sumergida. De esta manera, la misma fuerza que sostenía el peso de esa posición de líquido desplazada, sostiene ahora el recipiente, es decir, la fuerza de empuje hidrostática es igual al peso del líquido desplazado. Para poder explicar el fenómeno imaginemos un cuerpo, de forma cualquiera, sumergido en un líquido; el cual ejerce fuerza en torno al cuerpo debido a la presión hidrostática; la presión es mayor en los puntos que se encuentran a mayor profundidad. El empuje Hidrostático es igual al peso del líquido desplazado por un cuerpo, si el peso de éste, es igual al peso del volumen del líquido que desplaza, entonces se mantiene en equilibrio dentro del líquido. Por tanto, existe una fuerza de flotación resultante hacia arriba llamado empuje Hidrostático. El hecho de que un cuerpo flote o se hunda depende de su peso (hacia abajo), y de la magnitud de empuje hidrostático (hacia arriba), si el peso de su cuerpo es mayor que el peso del líquido que desplaza, el cuerpo se hunde. Si el peso es menor que el peso del líquido que desplaza, entonces el cuerpo flota. 66 Si el peso del cuerpo y el peso del líquido que desplaza son iguales, entonces se mantiene en equilibrio dentro del líquido. Para calcular el valor del empuje hidrostático es necesario considerar el volumen del cuerpo sumergido (el cual será el volumen del líquido desplazado) y el peso específico del líquido. A mayor volumen de líquido desplazado el empuje es mayor; a mayor peso específico, mayor empuje también. Empuje hidrostático = peso específico x volumen E=PeV Desarrollo experimental: Preparación Montaje de acuerdo a Ia ilustración. 1) Insertamos una varilla de soporte 25 cm. a través de la perforación transversal del riel de soporte. 2) Ajustamos la varilla de soporte con ayuda del tornillo moleteado. 3) Colocamos los capuchones de plástico a ambos extremos de la varilla de soporte. 4) Unamos la varilla de soporte 50 cm. a la segunda varilla de soporte 25 cm. por medio de la nuez redonda y la fijamos perpendicularmente al riel de soporte. 5) Fijamos arriba sobre la varilla de soporte una nuez con bulón de cojinetes. De ésta suspendemos el dinamómetro 2 N. 6) Preparamos el cilindro graduado Llenándolo con agua hasta la marca de 80 ml. 7) Nos aseguramos de que el paralelepípedo de aluminio encaje bien en el paralelepípedo hueco, es decir, que éste contenga tanto líquido como sea desplazado por el paralelepípedo hueco y el paralelepípedo de aluminio. Experimento: 1) Leemos en el dinamómetro el peso: _____N. 2) Sumergimos completamente el paralelepípedo de aluminio en el cilindro graduado, el cual está lleno con agua hasta la marca 80 ml (bájese correspondientemente la nuez con el bulón de cojinetes). El paralelepípedo hueco no debe sumergirse en el agua. 3) Leemos en el dinamómetro el peso reducido en el empuje hidrostático:_____ N. 4) Vertemos, agua del vaso, de precipitados en el paralelepípedo hueco y de nuevo cuidamos de que el paralelepípedo de aluminio se sumerja completamente en el agua. Leemos de nuevo en el dinamómetro el peso: _____N Resultados y conclusiones: Conclusión: el empuje hidrostático (La reducción del peso) es igual al peso del líquido desplazado. 67 Práctica 37 BLINDAJE ELÉCTRICO Objetivo: Reconocer las implicaciones de Michael de los trabajos de Faraday. Identificará el fenómeno del blindaje eléctrico a través de un experimento. Reconocerá el principio electrostático del blindaje eléctrico. Material: Bitácora Lápiz Papel 1 Pequeña coladera de plástico. 1 Pequeña coladera metálica. 1 Peine de plástico. Introducción: Un blindaje es una superficie metálica dispuesta entre dos regiones del espacio que se utiliza para atenuar la propagación de los campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos. Entonces un blindaje sirve tanto para no dejar escapar los campos de la zona encerrada en el, como para evitar que en una zona protegida por el mismo entre campo alguno. La forma en que se presentan los blindajes son: cajas, armarios, juntas eléctricas, compartimentos internos, pinturas conductoras, láminas metálicas, diferentes tipos de depósitos conductores sobre plásticos, etc. Desarrollo experimental: Electrizar material. 1) Colocar los pedazos de papel sobre la superficie del LDM. 2) Electrizar el peine pasándolo por sus cabellos. Como sabes por inducción electrostática, el peine atraerá los pedazos de papel. 3) Colocar la coladera de plástico limpia y seca, sobre los pedazos de papel y acercar el peine (Vas a observar que el peine continua atrayendo al papel.) Anote sus observaciones en cada paso del experimento. Figura 1 Formar el blindaje eléctrico. 1) Sustituir la coladera de plástico por la coladera metálica y una vez más aproxima el peine electrizado a los pedazos de papel. 2) Mantener el peine en la posición anterior, al retirar la coladera metálica y vas a observar que el peine continua atrayendo a los pedazos de papel. Resultados y conclusiones: ¿Por qué la coladera metálica no permite la interacción eléctrica? Justifica tu respuesta. 68 Práctica 38 CONSTRUCCIÓN DE UNA BRÚJULA RUDIMENTARIA Objetivo: Comprobar la existencia del campo magnético terrestre, a través de la construcción de una brújula rudimentaria. Reconocer el concepto de imantación, confirmar la influencia magnética terrestre. Material: 1 aguja. 1 imán permanente. 1 cinta adhesiva. 1 Lámina de corcho. 1vaso de precipitado de 100 ml. con agua Papel higiénico Introducción: Una brújula apunta en la dirección Norte - Sur por tratarse de una aguja imantada inmersa en el campo magnético terrestre: desde este punto de vista, la Tierra se comporta como un imán gigantesco y tiene polos magnéticos, los cuales, en la actualidad, no coinciden con los polos geográficos. Origen del campo magnético terrestre El origen del campo terrestre permanece aún sin una explicación definitiva, si bien la teoría comúnmente aceptada es la generación del campo magnético por el Efecto Dinamo. Esta teoría muestra como un fluido conductor en movimiento (como es el magma terrestre) puede generar y mantener un campo magnético como el de la tierra Desarrollo experimental: Magnetizar aguja. 1) Friccionar uno de los dos polos del imán a lo largo de aguja, siempre en el mismo sentido. Después de un tiempo de repetir esta operación, la aguja estará temporalmente magnetizada. Comprobar magnetización de la aguja. 1) Levantar la aguja con el imán. Construir brújula. 1) Con lámina de corcho recortar un circulo de aproximadamente 3 cm., de diámetro. 2) Colocamos la aguja encima del círculo de corcho para que al posarlo encima del el agua no se hunda. Hay que tener mucho cuidado y no mover la mesa para evitar que la aguja se vaya al fondo. 3) Posamos el círculo con la aguja sobre el agua. Así la aguja estará libre para girar dentro del vaso. La aguja se deberá orientar en la dirección norte-sur geográfica de la Tierra. Resultados y conclusiones: ¿Hacia adonde apunta el Norte de su brújula? ¿Corresponde con tu intuición previa al respecto? ¿Explica el fenómeno de magnetización? 69 Práctica 39 PROPAGACION RECTILINEA DE LA LUZ Objetivo: Estudiar cómo se propaga la luz. Determinar el tipo y la forma de propagación utilizando el método del visor. Material: Caja luminosa, halógena 12V/20W con 3 diafragmas de cierre hermético con 1 diafragma, 1/2 rendijas con 1 diafragma, 3/5 rendijas Fuente de alimentación Introducción: La luz emitida por las fuentes luminosas es capaz de viajar a través de materia o en ausencia de ella, aunque no todos los medios permiten que la luz se propague a su través. Desde este punto de vista, las diferentes sustancias materiales se pueden clasificar en opacas, transparentes y traslucidas. Aunque la luz es incapaz de traspasar las opacas, puede atravesar las otras. Las sustancias transparentes tienen, además, la propiedad de que la luz sigue en su interior una sola dirección. Éste es el caso del agua, el vidrio o el aire. En cambio, en las traslucidas la luz se dispersa, lo que da lugar a que a través de ellas no se puedan ver las imágenes con nitidez. El papel vegetal o el cristal esmerilado constituyen algunos ejemplos de objetos traslúcidos. En un medio que además de ser transparente sea homogéneo, es decir, que mantenga propiedades idénticas en cualquier punto del mismo, la luz se propaga en línea recta. Esta característica, conocida desde la antigüedad, constituye una ley fundamental de la óptica geométrica. Dado que la luz se propaga en línea recta, para estudiar los fenómenos ópticos de forma sencilla, se acude a algunas simplificaciones útiles. Así, las fuentes luminosas se consideran puntuales, esto es, como si estuvieran concentradas en un punto, del cual emergen rayos de luz o líneas rectas que representan las direcciones de propagación. Un conjunto de rayos que parten de una misma fuente se denomina haz. Cuando la fuente se encuentra muy alejada del punto de observación, a efectos prácticos, los haces se consideran formados por rayos paralelos. Si por el contrario la fuente está próxima la forma del haz es cónica. Desarrollo experimental: Montaje Figura 1 Figura 2 Ver figura 1 1) Coloca en la mesa la hoja de papel, y la caja luminosa con la parte de la lámpara sobre el papel, como se ve en la figura 1. 2) Marca a lápiz con rayas finas, la posición de la caja luminosa. Experimento 1 Leyes de la propagación de la luz 1) Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación (12 V). 2) Observa, la luz que sale de la caja, y marca con pares de cruces el borde superior e inferior del haz. 3) Une las cruces de cada uno de sus lados y rellena con un lápiz amarillo la superficie ocupada por el haz de la luz. ¿Cómo discurren los límites de haz de la luz? Anota lo que observas. 4) Dale la vuelta al papel, coloca la caja luminosa sobre la otra cara (figura 1), y marca su posición con un lápiz. 5) Sujeta en el haz a unos 2 cm. de distancia de la caja luminosa, el diafragma de tres rendijas. Observa la trayectoria de la luz antes y después del diafragma. 70 6) Marca los bordes de los dos haces anchos (arriba y abajo), y los haces estrechos visibles con dos cruces cada uno. Une con una línea todas las cruces que se correspondan, colorea de nuevo los dos haces más anchos con el lápiz amarillo. ¿Cómo discurren los bordes de los haces más anchos y los haces estrechos? Anota de nuevo lo que observas. 7) Desconecta la fuente de alimentación y quita la caja luminosa de papel. Realiza las siguientes observaciones: 1) La trayectoria de los límites del haz de luz 2) Trayectoria de los bordes de los haces anchos 3) Trayectoria de los haces estrechos Experimento 2 Método del visor Ver la figura 2 1) Coloca en la caja luminosa el diafragma de tres rendijas en la parte de la lámpara, y ponla sobre el borde de una hoja de papel (figura 2). 2) Conecta la caja a la fuente de alimentación (12V). 3) Marca la posición de la caja, el orificio central del diafragma de tres rendijas a través de la rendija del otro diafragma, Deberás desplazar cuidadosamente, en sentido transversal, el diafragma de tres rendijas Realiza las siguientes observaciones: 1) Posición de las marcas de lápiz y del orificio del diafragma Resultados y conclusiones: 1) Compara los resultados del Ejercicio 1 y 2 ¿Que tienen en común y en que se diferencian? 2) ¿Que ley podrías formular sobre la propagación de la luz? 3) Piensa en algunas aplicaciones técnicas de la ley que has encontrado, pon dos ejemplos. 4) ¿Como se propaga la luz? En la primera parte del experimento los alumnos estudiarán experimentalmente una de las propiedades esenciales de la luz, su propagación rectilínea en un medio homogéneo. Esta ley se utiliza para razonar los resultados de la segunda parte del experimento, abriéndose el camino metodológico para considerar importantes aplicaciones técnicas de la propagación rectilínea de la luz. Mientras que en el Ejercicio 1 se determina la propagación rectilínea de la luz objetivamente con una regla, en el Ejercicio 2 se trata de demostrar la propagación rectilínea a través del visor. 71 Práctica 40 REFLEXION DE LA LUZ Objetivo: Estudiar como se comportan cuerpos opacos con superficies diferentes, cuando son iluminados por un haz de luz. Material Caja luminosa, halógena, 12V/20W con 3 diafragmas de cierre hermético con un diafragma, 1/2 rendijas con 1 diafragma, 3/5 rendijas Espejo sobre taco Fuente de alimentación Papel o cartón de distintas clases (blanco, negro y de color, tamaño 8 cm. x 8 cm.) Láminas de aluminio (arrugada y lisa, tamaño 8 cm. x 8 cm.) Papel blanco Introducción: La reflexión es un fenómeno que se produce cuando la luz choca contra la superficie de separación de dos medios diferentes (ya sean gases como la atmósfera, líquidos como el agua o sólidos) y está regida por la ley de la reflexión. La dirección en que sale reflejada la luz viene determinada por el tipo de superficie. Si es una superficie brillante o pulida se produce la reflexión regular en que toda la luz sale en una única dirección. Si la superficie es mate y la luz sale desperdigada en todas direcciones se llama reflexión difusa. Y, por último, está el caso intermedio, reflexión mixta, en que predomina una dirección sobre las demás. Esto se da en superficies metálicas sin pulir, barnices, papel brillante, etc. La reflexión de la luz se representa por medio de dos rayos: el que llega a una superficie, rayo incidente, y el que sale "rebotado" después de reflejarse, rayo reflejado. Si se traza una recta perpendicular a la superficie (que se denomina normal), el rayo incidente forma un ángulo con dicha recta, que se llama ángulo de incidencia. La reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimenta un rayo luminoso al chocar contra la superficie de los cuerpos. La luz reflejada sigue propagándose por el mismo medio que la incidente. La reflexión de la luz cumple dos leyes: - El rayo incidente, el reflejado y la normal están en un mismo plano perpendicular a la superficie. - El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Desarrollo experimental: Preparación: 1) Coloca la hoja de papel blanco sobre la mesa delante de ti, en sentido vertical. 2) Coloca la caja luminosa sobre el borde del papel, con el lado de la lente orientado hacia ti. Pon el diafragma de una rendija en el foco de luz y marca la posición de la caja luminosa (figura 1). 72 Figura 1 Experimento 1) Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación (12V). 2) Sujeta a unos 10 cm. del orificio de la caja luminosa el trozo de papel negro, o cartón, oblicuo al sentido de la luz (figura 1), de modo que no pueda pasar la luz detrás. 3) Observa con mucha atención la zona de incidencia de la luz sobre el papel y anota lo que has observado en la tabla 1. 4) Repite la observación con todas las otras clases de papel y láminas. Anota los resultados en la tabla 1. 5) Realiza finalmente este experimento con el espejo. ¿Qué variaciones puedes observar respecto a los experimentos anteriores? Anota lo que observes también en la tabla 1 6) Coloca ahora el diafragma de tres rendijas en la caja luminosa. Varía el ángulo del espejo y observa las trayectorias de los haces de luz estrechos. Dibuja lo que observes en la figura 2: cuando la luz incide casi paralela sobre el espejo y cuando incide casi perpendicular. 7) Desconecta la fuente de alimentación. Resultados y conclusiones: Cuerpos opacos Papel negro Papel blanco Papel de color Lamina de aluminio arrugada Lamina de aluminio lisa Espejo Observaciones en la zona de incidencia de la luz Figura 2 1) ¿Qué cuerpos reflejan casi totalmente la luz? 2) ¿En qué se diferencian estos cuerpos de los otros? 3) ¿Qué es la reflexión de la luz? Describe el fenómeno físico que has conocido en este experimento. 4) Compara los dos resultados del experimento de la figura 2. Formula un enunciado sobre el ángulo que forma el haz de incidencia y el reflejado en diferentes posiciones del espejo. 5) ¿Por qué no se enmarcan los cuadros con cristal en las galerías de arte, a pesar de que el cristal protegería el cuadro? 6) ¿Por qué no se ve bien en un espejo empañado? 73 Práctica 41 REFLEXIÓN EN EL ESPEJO PLANO Objetivo: Estudiar si hay relación entre la dirección del haz de luz que incide en un espejo plano y la dirección del haz reflejado Estudiar como colocarías una hoja de papel para ver en toda su longitud el haz reflejado Material: Caja luminosa, halógena, 12V/20W con 3 diafragmas de cierre hermético con 1 diafragma, 1/2 rendijas Espejo sobre taco Disco óptico Fuente de alimentación de 12 V Papel blanco, DIN A4 (puede usarse papel común tamaño carta, blanco). Libro con dorso ancho Introducción: Cuando un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo encuentra en su camino una superficie bien pulida, se refleja en ella siguiendo una serie de leyes. Este fenómeno es conocido como reflexión regular o especular. Algunos metales como la plata y el aluminio absorben poco la luz blanca y si construimos con ellos láminas metálicas muy pulimentadas podemos lograr que reflejen la luz de tal manera que los rayos reflejados se vean con una intensidad comparable a la de los rayos incidentes. A estas superficies les llamamos espejos y pueden ser planos o curvos. Hoy en día los espejos se construyen de vidrio, pero en la antigüedad los primeros espejos eran de metal. Desarrollo experimental: Dirección de los haces de luz incidente y reflejado. Figura 1 1) Coloca el disco graduado, llamado “disco óptico”, sobre la hoja de papel, como se indica en la figura 2). 2) Escribe 0º en la hoja, junto a la línea horizontal, y marca sobre esta hoja también otros ángulos (figura 1). 3) Coloca el espejo plano en el centro del disco, exactamente sobre la línea vertical. 4) Coloca el diafragma de un rendija en la caja luminosa, en el lado de la lente. 5) Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación (12V-). 6) Coloca la caja luminosa de forma que el haz de luz estrecho incida en el espejo exactamente con un ángulo α de 60º (figura 1).Cuida que el haz de luz de la caja luminosa incida exactamente en el punto de intersección de las Líneas del disco óptico. 7) Lee el ángulo del haz de luz reflejado. 8) Este es el ángulo β (ángulo de reflexión) entre la línea 0° (llamada normal al plano de incidencia) y el haz reflejado; mira también la figura 1. 9) Anota su valor en la tabla 1; repite este experimento con todos los ángulos de incidencia α dados en la tabla, y otros tres ángulos α tu elección. Anota todos los valores medidos en la tabla. 10) Haz finalmente incidir la luz a lo largo de la Línea 0° (la normal al plano de incidencia). Observa el haz reflejado; ¿qué valor tiene ahora el ángulo β? Anótalo también en la tabla. 74 11) Desconecta la fuente de alimentación. Posición de los haces de luz incidente y reflejado 1) Cambia el montaje del experimento conforme a la figura 2. Figura 2 Para esto dobla una hoja de papel por la mitad y colócala sobre un libro grueso, de modo que el doblez coincida con el borde del libro. El espejo está en la parte inferior de la hoja, coincidiendo con el doblez y el borde del libro. 2) Conecta de nuevo la caja luminosa (con el diafragma de una rendija en el lado de la lente) a la fuente de alimentación (12V), y colócala sobre la hoja de papel y el libro, como en la figura 2. 3) Haz que incida oblicuamente sobre el espejo un haz de luz estrecho, de modo que el punto de incidencia sobre el espejo esté unos 2 cm. delante del doblez de la hoja (figura 2). 4) Observa el haz de luz reflejado. Mueve la otra mitad de la hoja con cuidado hacia arriba (hasta 90°) y hacia abajo, sin que el espejo se mueva. ¿Qué observas con respecto a la visibilidad de toda la longitud del haz de luz reflejado en esta mitad de la hoja de papel?. 5) Anota tus observaciones, desconecta la fuente de alimentación y quita la caja luminosa del papel. Resultados y conclusiones: Dirección de los haces de luz incidente y reflejado Angulo de incidencia α 60º 20º 45º 75º Tabla 1 Angulo de reflexión β 0º Posición de los haces de luz incidente y reflejado: 1) Visibilidad del haz reflejado: papel horizontal 2) Mitad de la hoja levantada 3) Mitad de la hoja bajada De los resultados obtenidos: 1) Compara los valores de los ángulos de reflexión β de la tabla 1 con los ángulos de incidencia α. ¿Qué puedes comprobar? Formula un enunciado. 75 2) ¿Cómo se refleja un haz que incide sobre el espejo sobre la línea 0º (la normal al plano de incidencia)? ¿Cuáles son, en este caso, los ángulos de incidencia α y de reflexión β? 3) ¿En qué posición del papel (2ª parte del experimento) se ve el haz de luz reflejado con la mayor claridad y en toda su longitud? 4) ¿Qué conclusión puedes sacar de esto, sobre la posición relativa de los haces de luz incidente y reflejado (y la normal al plano de incidencia)? 5) ¿Por qué se puede ver con un espejo detrás de una esquina? 6) ¿En qué momento del día y en qué posición del sol se ve brillar la ventana de un edificio lejano, y por qué no en otro momento?. 76 Practica 42 IMÁGENES EN EL ESPEJO PLANO Objetivo: 1) Estudia qué propiedades tienen las imágenes en el espejo plano. 2) Estudia cómo se forma la imagen de un objeto en un espejo plano; determina la distancia de la imagen al espejo. Material: Caja luminosa, halógena, 12V/20W con 3 diafragmas de cierre hermético con 1 diafragma, 1/2 rendijas Espejo sobre taco Fuente de alimentación Papel blanco, DIN A4 Regla Goma de borrar Introducción: La formación de imágenes en los espejos es una consecuencia de la reflexión de los rayos luminosos en la superficie del espejo. La óptica geométrica explica este familiar fenómeno suponiendo que los rayos luminosos cambian de dirección al llegar al espejo siguiendo las leyes de la reflexión. En la figura 1 puede observarse un haz estrecho de rayos luminosos que proceden de una fuente puntual S y se refleja en un espejo plano. Después de la reflexión, los rayos divergen exactamente como si procedieran de un punto S’ detrás del plano del espejo, como puede demostrarse utilizando la ley de la reflexión para diversos rayos. El punto S’ se denomina la imagen del objeto S. Cuando estos rayos entran en el ojo, no puede distinguirse de los rayos que procederían de una fuente situada en S’ sin que hubiese espejo. La imagen se denomina imagen virtual debido a que la luz no procede realmente de la imagen. La imagen S’ está en la línea que pasa por el objeto S y es perpendicular al plano del espejo, a una distancia detrás de dicho plano igual a la distancia a que el objeto está del mismo. La imagen puede verse siempre que el ojo esté en cualquier lugar de la región indicada, de modo que una línea trazada desde la imagen del ojo pasa cortando el espejo. El objeto no necesita estar directamente frente al espejo. Una imagen puede verse siempre que el objeto no esté detrás del espejo. Figura 1 Si observamos la imagen de la palma de la mano derecha frente a un espejo, vemos que es del mismo tamaño que el objeto, pero no es la misma que observaría otra persona frente a uno ni la que nosotros veríamos si mirásemos la palma de nuestra mano (figura 2). La imagen de una mano derecha que da un espejo es una mano izquierda. Esta inversión derecha-izquierda es el resultado de una inversión de profundidad; es decir, la mano se transforma de una mano derecha a otra izquierda porque el espejo ha invertido la palma y el dorso de la mano. 77 Figura 2 Para estudiar la imagen de un objeto mediante un espejo plano, podemos dibujar por ejemplo una flecha y localizar la imagen de la punta de la flecha como se indica en la figura 3. Empleando la ley de la reflexión, podemos trazar un rayo desde la punta de la flecha que incida en forma perpendicular al espejo. Este rayo se reflejará sobre sí mismo, por lo que la imagen de la punta de la flecha estará sobre su prolongación por detrás del espejo. Para encontrar la posición exacta de la misma, hacemos incidir otro rayo con un ángulo θ, y el rayo reflejado formará el mismo ángulo θ. Por lo tanto, en la intersección de las prolongaciones de ambos rayos se encontrará la imagen de la punta de la flecha. Podemos ver que la imagen está a la misma distancia detrás del espejo como el objeto está delante de él, y que la imagen es derecha y tiene el mismo tamaño que el objeto. Figura 3 Desarrollo experimental: Preparación: 1) Divide la hoja de papel transversalmente en proporción 1/3 a 2/3 con una raya a lápiz, como en la figura 1. 2) Coloca el espejo sobre la línea a lápiz. La superficie del espejo debe estar orientada hacia el borde de la mesa (figura 1). 3) Coloca una regla con uno de sus lados tocando el espejo. 4) Escribe sobre la superficie ancha de la goma la palabra “SAAL” y colócala transversalmente en el otro extremo de la regla, con las letras mirando al espejo (figura 1). Figura 1 Experimento 1 Propiedades de las imágenes especulares 1) Observa la imagen especular de la regla y de la goma escrita; para esto debes mirar al espejo a ras de la mesa. 2) Compara la imagen con el original; anota tus comprobaciones en la tabla 1. Experimento 2 78 Formación de la imagen en el espejo plano. 1) Marca en la hoja de papel los puntos X, Y y Z y, en ángulo recto por X, el punto G, a las distancias indicadas. 2) Coloca el espejo plano con el borde en la línea vertical, de modo que las marcas X, Y y Z se encuentren dentro de la superficie del espejo (figura 2). 3) Coloca el diafragma de una rendija en la caja luminosa, sobre la parte de la lente, y conecta la caja luminosa la fuente de alimentación (12V.) 4) Coloca la caja luminosa de modo que el haz de luz incida primero en el punto G y luego en el punto X (figura 2). 5) Marca con pares de cruces el haz de luz incidente y el reflejado. 6) Desplaza la caja luminosa con cuidado (no varíes la posición del espejo) hasta que el haz de luz estrecho incida sobre los puntos G e Y; marca de nuevo la trayectoria de los haces de luz incidente y reflejado. 7) Repite el experimento con los puntos G y Z. 8) Desconecta la fuente de alimentación y quita la caja luminosa y el espejo del papel. 9) Une entre sí las marcas correspondientes. Ten en cuenta que todos los rayos incidentes pasan por el punto G. 9) Prolonga los rayos de luz reflejados más allá de la línea vertical (plano del espejo) con líneas discontinuas. ¿Qué compruebas? Anota tus observaciones. 10) Mide la distancia g desde el punto G hasta la línea vertical (plano del espejo) y anota su valor. 11) Denomina B al punto de intersección de las prolongaciones y mide la distancia b del plano del espejo hasta el punto B. Anota de nuevo el valor de tu medición Figura 2 Resultados y conclusiones 1) Propiedades de las imágenes especulares Tabla 1 Comparación del tamaño original y la imagen Tamaño Distancia al plano del espejo Posición Lateral Regla Goma de borrar 2) Formación de la imagen en el espejo plano Resultado de la prolongación de los rayos de la luz reflejados Distancia del punto G al espejo g= _________cm. (distancia del objeto) Distancia del punto B al espejo b= _________cm. (distancia del objeto) Con los resultados obtenidos 1) ¿Qué propiedades de la imagen del espejo, en comparación con el original, se pueden deducir de tus observaciones (tabla 1)?. 2) Compara la distancia g del punto G al espejo (distancia del objeto) con la distancia b del punto B al espejo (distancia de la imagen), y con las que has observado en la primera parte del experimento .Formula un enunciado. 3) Imagínate que mides 1,60 m y estás delante del espejo de un armario. Si te ves de la cabeza a los pies, ¿qué longitud mínima tendrá el espejo? Dibuja un esquema en el que se vea la trayectoria de la luz desde tu cabeza y tus pies hasta tus ojos. 4) ¿Por qué te ves al pasar por la luna de un escaparate?. 5) Di algunas aplicaciones de los espejos planos. 79 Práctica 43 REFLEXION EN EL ESPEJO CONCAVO Objetivo: Estudiar cómo se refleja la luz en un espejo cóncavo. Estudiar la trayectoria de haces de luz característicos, reflejados en un espejo cóncavo. Material: Caja luminosa, halógena, 12V/20W con 3 diafragmas de cierre hermético con 1 diafragma de 1/2 rendijas con 1 diafragma, 3/5 rendijas Espejo, cóncavo-convexo Fuente de alimentación Papel blanco, DIN A4 Compás Regla Introducción: Los espejos curvos se denominan esféricos cuando son una porción de una superficie esférica; son parabólicos cuando pertenecen a un paraboloide. Pueden ser cóncavos cuando la superficie espejada es la interior o convexos cuando la superficie espejada es la exterior. En la figura 1 se muestra un haz de rayos que procede de un punto P situado en el eje de un espejo esférico cóncavo y que después de reflejarse en el mismo convergen en el punto P’. Los rayos entonces divergen desde este punto como si hubiese un objeto en el mismo. Esta imagen se denomina imagen real, debido a que la luz realmente emana del punto imagen. Este tipo de imágenes pueden observarse por un ojo cualquiera, y pueden plasmarse sobre una película fotográfica situada en dicho punto, a diferencia de las imágenes virtuales que no pueden ser observadas en una pantalla situada en el punto imagen debido a que allí no hay luz. Figura 1: Imagen formada por un espejo cóncavo Cuando observamos la marcha de los rayos hacia un espejo cóncavo, notamos que sólo los rayos que inciden en el espejo en los puntos próximos al eje del mismo, se reflejan pasando por el punto imagen. Estos rayos de denominan rayos paraxiales. Cuando otros rayos no paraxiales convergen en puntos próximos al punto imagen, la imagen aparece borrosa en un efecto denominado aberración esférica. Este efecto se corrige reduciendo el tamaño del espejo de forma de no permitir la incidencia de rayos no paraxiales. Para los espejos esféricos, teniendo en cuenta las leyes de reflexión y la geometría elemental, puede establecerse una sencilla relación entre la distancia de la imagen s’, la distancia del objeto s y el radio de curvatura r. Si definimos el foco del espejo como el punto imagen de un objeto que se encuentra muy alejado (en el infinito), y a la distancia de este punto la llamamos distancia focal, podemos observar que ésta es igual a la mitad del radio. De aquí resulta. Justamente, el foco es el punto en donde resultan enfocados todos los rayos paralelos al eje del espejo (figura 2). 80 b) Fotografía de rayos paralelos enfocados en un espejo cóncavo . Cuando se analiza un espejo esférico convexo, se observa que los rayos reflejados divergen como si proviniesen de un punto detrás del espejo; este punto es el foco de este espejo, el cual también se sitúa en la mitad del radio (figura 11). Figura 3 Figura 2 a) Foco de un espejo cóncavo Figura 3 a) Foco de un espejo convexo b) Fotografía de rayos paralelos incidiendo en un espejo convexo. Desarrollo experimental: Atención Cuida que el centro de la curvatura interior del espejo cóncavo esté siempre colocado sobre S, y su posición no varíe al mover la caja luminosa. Experimento 1 Reflexión en el espejo cóncavo 1) Traza una línea en la hoja de papel (“eje óptico”), y marca sobre ella el punto S (vértice). 2) Coloca el diafragma de cinco rendijas en la caja luminosa sobre la parte de la lente. 3) Coloca el espejo cóncavo y la caja luminosa según la figura 1. 4) Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación (12V—) 5) Desplaza la caja luminosa hasta que el haz central de los cinco haces de luz estrechos transcurra exactamente a lo largo del eje óptico (línea a lápiz). 6) Gira el espejo sobre S y observa las trayectorias de los haces incidentes y reflejados. Anota lo que observas. 7) Gira el espejo sobre S hasta que el haz central de los cinco haces de luz incidentes se refleje sobre sí mismo en el eje óptico. ¿Qué puedes comprobar? Anótalo. 8) Marca el punto de intersección de los haces de luz reflejados con el eje óptico; denomínalo F. 9) Dibuja en el papel el contorno interior del espejo. 10) Desconecta la fuente de alimentación. 11) Duplica con el compás el segmento FS, obteniendo otro punto de intersección, M, sobre el eje óptico (figura 2). 81 Figura 1 Experimento 2 Trayectoria de los haces característicos después de la reflexión. Figura 2 1) Coloca otra vez el espejo, con la parte curvada hacia dentro sobre S. 2) Coloca el diafragma de una rendija en la caja luminosa sobre la parte de la lente. Enciende la fuente de alimentación (12V-). 3) Comprueba el ajuste del espejo. 4) Desplaza la caja luminosa hasta que el haz de luz estrecho transcurra aproximadamente 1 cm. paralelo al eje óptico. 5) Observa el haz de luz reflejado. ¿Dónde corta al eje óptico? Anota lo que observas en la primera línea de la tabla 1. 6) Marca con pares de cruces la trayectoria de los haces de luz incidente y del reflejado. 7) Haz incidir el haz de luz sobre el espejo, primero a través del punto M (centro óptico) y luego a través del punto F (foco). 8) Observa en cada caso la trayectoria del haz reflejado; anota lo que observas en la tabla 1, y marca la trayectoria de los haces. 9) Desconecta la fuente de alimentación y quita la caja luminosa y el espejo del papel. 10) Une entre sí las marcas de cada haz de luz, para hacer visible la trayectoria de los tres haces característicos antes y después de la reflexión en el espejo. Resultados y conclusiones: Reflexión en el espejo cóncavo: 1) Trayectoria de los haces de luz incidentes: 2) Trayectoria de los haces de luz reflejados, con el espejo en posición oblicua: 3) Trayectoria de los haces de luz reflejados, con el espejo en posición recta: Trayectoria de haces característicos después de la reflexión Tabla 1 Trayectoria del haz de luz incidente Paralelo al eje óptico (rayo paralelo) A través del centro óptico M (rayo del centro óptico) A través del foco F (rayo focal) Trayectoria del haz de luz reflejado 1) ¿Cómo se reflejan en un espejo cóncavo los haces de luz que inciden paralelos al eje óptico? Formula un enunciado. 2) Mide la distancia f del punto F (llamado “foco”) hasta el vértice S y anota su valor. 3) Traza un arco con centro en M, de radio MS, que corte al eje óptico en S. Compara este arco con el contorno marcado del espejo cóncavo. ¿Qué conclusiones sacas? 4) ¿Qué relación existe entre la distancia focal del espejo f (segmento FS) y la distancia de M al vértice S? 5) Formula tres enunciados, de acuerdo con tus observaciones (tabla 1, líneas 1, 2 y 3), que expresen cómo se reflejan en el espejo cóncavo los tres haces de luz característicos. 6. ¿Por qué se refleja sobre sí mismo un rayo de luz que incide en un espejo cóncavo a través del centro óptico M? 82 Práctica 44 REFLEXION EN EL ESPEJO CONVEXO Objetivo: Estudiar la reflexión de la luz en un espejo convexo. Determinar experimentalmente el foco y la distancia focal. Estudiar bajo qué ángulo se refleja un haz de luz característico en un espejo convexo. Material: Caja luminosa, halógena, 12V/20W con 3 diafragmas de cierre hermético con 1 diafragma, 1/2 rendijas con 1 diafragma, 3/5 rendijas Fuente de alimentación Espejo, cóncavo-convexo Papel blanco, DIN A4 Regla Introducción: Ver introducción practica 43. Desarrollo experimental: Experimento 1 Reflexión en el espejo convexo. Figura 1 1) Coloca la hoja de papel sobre la mesa, y prepárala como se muestra en la figura 1. 2) Marca sobre el eje óptico un punto S y coloca el espejo convexo con el centro de la curvatura exterior sobre S. 3) Coloca en la caja luminosa el diafragma de cinco rendijas en la parte de la lente, y ponla en el borde de la hoja de papel, a unos 10cm del espejo (figura 1). 4) Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación (1 2V-). 5) Desplaza la caja luminosa hasta que el haz central de los cinco haces de luz estrechos transcurra exactamente a lo largo del eje óptico (línea a lápiz). Si lo has ajustado cuidadosamente, este haz de luz se refleja sobre sí mismo; en otro caso debes girar un poco el espejo. 6) Traza en el papel, con un lápiz fino, el contorno exterior del espejo, cuidando de no moverlo. 7) ¿Qué puedes enunciar sobre la trayectoria de los rayos de luz exteriores? Anota lo que observas. 8) Marca, siempre con dos cruces, u otras marcas, los haces de luz incidentes y reflejados, empleando diferentes colores. 9) Desconecta la fuente de alimentación y quita la caja luminosa y el espejo del papel. 10) Une las marcas del mismo grupo para que se haga visible la trayectoria de los haces de luz antes y después de la reflexión. 10) Prolonga los rayos reflejados con líneas discontinuas, por detrás del espejo. Llamamos F al punto de intersección de las prolongaciones. ¿Dónde se encuentra este punto? Anótalo. 11) Mide la distancia al punto F desde el vértice S y anota su valor. Experimento 2 Reflexión de un haz de luz en un espejo convexo 83 Figura 2 1) Prepara otra hoja de papel de modo similar a la de la primera parte del experimento, como se muestra en la figura 2. 2) Coloca el espejo convexo de nuevo con el centro de la curvatura exterior sobre S. 3) Coloca en la caja luminosa el diafragma de una rendija sobre el lado de la lente. 4) Conecta de nuevo la fuente de alimentación (12V-.). Haz incidir el haz de luz estrecho oblicuamente en el espejo convexo, exactamente en el punto S (figura 2). 5) Observa el haz de luz reflejado en el espejo convexo; anota tus observaciones y marca, siempre con dos cruces, la trayectoria de los haces de luz incidente y reflejado. 6) Desconecta la fuente de alimentación y quita la caja luminosa y el espejo del papel. 7) Une las marcas del mismo grupo, de modo que se haga visible la trayectoria del haz de luz antes y después de la reflexión. 8) Mide el ángulo de incidencia y el de reflexión del haz de luz. Anota sus valores. Resultados y conclusiones: Reflexión en el espejo convexo 1) Trayectoria después de la reflexión de los haces que inciden sobre el espejo paralelos al eje óptico: 2) Posición del punto F (foco): Distancia FS (distancia focal f): FS = _____cm. Reflexión de un haz de luz en un espejo convexo. 1) Trayectoria del haz de luz que incide oblicuamente en el punto S y se refleja en el espejo: 2) Ángulos de incidencia y de reflexión del haz de luz que incide oblicuamente: α=_____º β=_____º 1) Describe, de acuerdo con tus observaciones de la primera parte del experimento, cómo se reflejan en un espejo convexo los haces de luz que inciden paralelos al eje óptico. 2) ¿Por qué se refleja sobre sí mismo un haz de luz que incide a lo largo del eje óptico?. 3) Mira los resultados de la primera parte del experimento: ¿de dónde parecen provenir los rayos de luz que inciden paralelos sobre el espejo, después de la reflexión?. 4) Duplica con el compás el segmento FS (primera parte del experimento) sobre el eje óptico. Obtienes otro punto de intersección M. Traza un arco con centro en M y radio MS, y compáralo con el contorno del espejo convexo. ¿Qué puedes constatar?. 5) De acuerdo con los valores medidos de los ángulos de incidencia y reflexión (segunda parte del experimento), razona la trayectoria después de la reflexión del haz que incide oblicuamente en S. 6) Menciona ejemplos de espejos convexos. 84 Práctica 45 REFRACCION AL PASAR DEL AIRE AL VIDRIO Objetivo: Estudiar el comportamiento de un haz de luz al pasar de aire a vidrio. Medir el ángulo de refracción en función del ángulo de incidencia, al pasar la luz de aire a vidrio. Material: Caja luminosa, halógena, 12V/20W con 3 diafragmas de cierre hermético con 1 diafragma, 1/2 rendijas Cuerpo óptico, semicircular Disco óptico Fuente de alimentación Introducción: Se denomina refracción luminosa al cambio que experimenta la dirección de propagación de la luz cuando atraviesa oblicuamente la superficie de separación de dos medios transparentes de distinta naturaleza. Las lentes, las máquinas fotográficas, el ojo humano y, en general, la mayor parte de los instrumentos ópticos basan su funcionamiento en este fenómeno óptico. El fenómeno de la refracción va, en general, acompañado de una reflexión, más o menos débil, producida en la superficie que 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 que los haces reflejados y refractados tendrán menos intensidad luminosa que el rayo incidente. Dicho reparto de intensidad se produce en una proporción que depende de las características de los medios en contacto y del ángulo de incidencia respecto de la superficie límite. A pesar de esta circunstancia, es posible fijar la atención únicamente en el fenómeno de la refracción para analizar sus características. Las leyes de la refracción Al igual que las leyes de la reflexión, las de la refracción poseen un fundamento experimental. Junto con los conceptos de rayo incidente, normal y ángulo de incidencia, es necesario considerar ahora el rayo refractado y el ángulo de refracción o ángulo que forma la normal y el rayo refractado. Sean 1 y 2 dos medios transparentes en contacto que son atravesados por un rayo luminoso en el sentido de 1 a 2 y e1 y e2 los ángulos de incidencia y refracción respectivamente. Las leyes que rigen el fenómeno de la refracción pueden, entonces, expresarse en la forma: 1.ª Ley. El rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano. 2.ª Ley. (Ley de Snell) Los senos de los ángulos de incidencia e1 y de refracción e2 son directamente proporcionales a las velocidades de propagación v1 y v2 de la luz en los respectivos medios. Recordando que índice de refracción y velocidad son inversamente proporcionales la segunda ley de la refracción se puede escribir en función de los índices de refracción en la forma: O en otros términos: n1 · sen e1 = n2 · sen e2 = cte (14.5) Esto indica que el producto del seno del ángulo e por el índice de refracción del medio correspondiente es una cantidad constante y, por tanto, los valores de n y sen e para un mismo medio son inversamente proporcionales. Debido a que la función trigonométrica seno es creciente para ángulos menores de 90º, de la última ecuación se deduce que si el índice de refracción ni del primer medio es mayor que el del segundo n2, el ángulo de refracción e2 es mayor que el de incidencia e1 y, por tanto, el rayo refractado se aleja de la normal. 85 Por el contrario, si el índice de refracción n1 del primer medio es menor que el del segundo n2, el ángulo de refracción e2 es menor que el de incidencia el y el rayo refractado se acerca a la normal. Estas reglas prácticas que se deducen de la ecuación son de mucha utilidad en la representación de la marcha de los rayos, operación imprescindible en el estudio de cualquier fenómeno óptico desde la perspectiva de la óptica geométrica. Desarrollo experimental: Atención Cuida que en todos los experimentos parciales, el haz de luz de la caja luminosa incida siempre sobre el cuerpo exactamente en el centro del disco óptico y que el cuerpo óptico no varíe su posición al mover la caja. Montaje Figura 1: 1-ajuste, 2- primera posición 1) Coloca el disco óptico delante de ti sobre la mesa y pon el cuerpo óptico semicircular (el lado mate hacia abajo), exactamente sobre la línea vertical, entre las marcas, como se muestra en la figura 1. 2) Coloca el diafragma de una rendija en la caja luminosa sobre la parte de la lente, y ponla aproximadamente a 1 cm. del disco óptico. Experimento 1 Comportamiento del haz de luz estrecho en la superficie de separación aire/vidrio 1) Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación (12V). 2) Desplaza la caja luminosa hasta que el haz de luz estrecho vaya exactamente sobre el eje óptico (línea de 0°, sobre la “normal al plano de incidencia”) (figura 1- ajuste). 3) Si la posición del cuerpo óptico y la caja luminosa es correcta, el haz de luz estrecho continúa discurriendo sobre el eje óptico después de su paso a través del vidrio. 4) Desplaza la caja luminosa hasta que la luz incida sobre el cuerpo óptico con un ángulo de 40° (con respecto a la normal al plano de incidencia) (figura 1: 2 - primera posición). 5) Observa atentamente el comportamiento del haz de luz estrecho al atravesar la superficie de separación aire/vidrio; anota lo que observas. 6) ¿Cómo se comporta la luz al salir del cuerpo de vidrio (en la superficie de separa vidrio/aire)? Anota lo que observas. 7) Compara el ángulo de incidencia α con el ángulo entre el haz de luz saliente (refractado) y el eje óptico (ángulo de refracción β). Anota de nuevo lo que compruebes. Experimento 2 Determinación del ángulo de refracción en función del ángulo de incidencia α El montaje es igual que en la primera parte del experimento (figura 1). 1) Comprueba la posición del cuerpo óptico conforme al método descrito en la primera parte del experimento (incidencia y salida de la luz exactamente a lo largo del eje óptico). 2) Desplaza la caja luminosa hasta que el haz de luz incidente forme exactamente un ángulo de 10° con la normal al plano de incidencia (línea 0°). 3) Lee el correspondiente ángulo de refracción β, y anota su valor en la tabla 1. Este es el ángulo entre el haz refractado y la normal 86 al plano de refracción (eje óptico). 4) Repite este procedimiento para cada uno de los ángulos de incidencia α de la tabla 1, anotando siempre los ángulos de refracción β correspondientes. 5) Elige tú mismo otros tres ángulos de incidencia α y mide los ángulos de refracción β. Anota los pares de ángulos igualmente en la tabla 1. 6) Haz incidir, finalmente, la luz bajo el ángulo de 0°. ¿Cuál es ahora el ángulo de refracción β? Anota su valor. 7) Desconecta la fuente de alimentación. Resultados y conclusiones: Comportamiento del haz de luz estrecho en la superficie de separación aire/vidrio 1) Comportamiento del haz de luz estrecho al atravesar oblicuamente la superficie de separación aire/vidrio: 2) Comportamiento del haz de luz estrecho al salir del cuerpo óptico: 3) Comparación de los ángulos de incidencia y refracción. Determinar el ángulo de refracción β en función del ángulo de incidencia α. Angulo de incidencia α 10º 30º 45º 60º 75º Tabla 1 Angulo de incidencia β 0º Con los resultados obtenidos 1) Describe, de acuerdo con tus observaciones, cómo se comporta el haz de luz estrecho al atravesar oblicuamente la superficie de separación aire/vidrio. 2) Compara entre sí los ángulos de incidencia α y los de refracción β correspondientes, de la tabla 1. Formula el resultado con tus propias palabras. 3) ¿A qué resultado te conduce la medición con un ángulo de incidencia de 0°? Intenta razonar el resultado. 4) Intenta Formular, en base a tus medidas y a las condiciones del experimento, una ley para el paso de la luz a través de la superficie de separación aire/vidrio. 5) ¿Por qué no se refracta de nuevo el haz de luz al salir del cuerpo óptico semicircular? 87 Práctica 46 DETERMINACION DEL INDICE DE REFRACCION DEL VIDRIO Objetivo: Determinar el índice de refracción del vidrio. Material: Caja luminosa, halógena, 12V/20W con 3 diafragmas de cierre hermético con 1 diafragma, 1/2 rendijas Cuerpo óptico, semicircular Fuente de alimentación Papel blanco, DIN A4 Compás Regla Transportador Introducción: Vea introducción práctica 43. El índice de refracción (también llamado índice refractivo) es siempre mayor que la unidad. El índice de refracción de la mayor parte de los vidrios comunes utilizados en instrumentos ópticos se encuentra entre 1.46 y 1.96. Existen muy pocas sustancias cuyos índices sean superiores a 1.96; el diamante es una de ellas, con un índice de refracción de 2.42. Desarrollo experimental: Atención Cuida que el haz de luz de la caja luminosa incida sobre el cuerpo óptico (figura 1) exactamente en el punto donde se cortan las rectas (“pie de la normal”), y que el cuerpo óptico no varíe su posición al mover la caja. Montaje 1) Coloca la hoja de papel transversalmente delante de ti sobre la mesa y prepárala como se indica en la figura 1. El ángulo de intersección de ambas rectas debe ser exactamente 90º. Traza desde el punto de intersección de las rectas ángulos de 15°, 30°, 45° 60° y 75° (figura 1). 2) Coloca el cuerpo óptico semicircular con la cara plana exactamente en la vertical de las perpendiculares, la más corta. La superficie mate sobre el papel. 3) Coloca el diafragma de una rendija en la caja luminosa, sobre la parte de la lente, y ponla a unos 10 cm. frente a la cara plana del cuerpo óptico (figura 1). Experimento 1) Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación (12V). 2) Desplaza la caja (figura 1: 1-ajuste) hasta que el haz de luz estrecho transcurra exactamente sobre el eje óptico (línea 0°, normal al plano de incidencia). 3) Desplaza el cuerpo óptico semicircular con cuidado hasta que el haz de luz estrecho continúe discurriendo sobre el eje óptico después de su paso a través del vidrio; marca cuidadosamente, con una línea fina a lápiz, el contorno del cuerpo óptico. 4) Desplaza la caja luminosa con cuidado (figura 1 : 2 - primera posición) hasta que el haz de luz incida sobre el cuerpo óptico bajo un ángulo de 15° (a lo largo de una de las líneas auxiliares trazadas anteriormente). 5) Observa la trayectoria del haz de luz refractado; compara el ángulo de incidencia α con el ángulo entre el haz de luz refractado y la normal al plano de incidencia (ángulo de refracción β). ¿Qué puedes comprobar? Anota lo que observas. 6) Marca con dos cruces la trayectoria del haz de luz refractado, y para simplificar el estudio posterior, con una cruz el haz de luz incidente. 7) Repite este procedimiento con los otros ángulos de incidencia α dados. Marca, siempre dos veces, la trayectoria del haz de luz refractado y una vez el haz de luz incidente (utilizando marcas o colores distintos). 8) Desconecta la fuente de alimentación y quita la caja luminosa y el cuerpo óptico del papel. 9) Une las marcas que se corresponden, entre sí y con el punto de intersección de las rectas (pie de la normal), de modo que se haga 88 visible la trayectoria de cada uno de los haces antes y después de su refracción en el cuerpo óptico. 10) Mide los ángulos de refracción β y anota su valor en la tabla 1, junto al ángulo de incidencia α correspondiente. Figura 1:1 –ajuste, 2 –primera posición Resultados y conclusiones: 1) Comparación del ángulo de incidencia α y el ángulo de refracción β Angulo de incidencia α Angulo de refracción β a/cm. b/cm. n=a/b Tabla 1 Con los resultados obtenidos: 1) Compara el ángulo de incidencia α con el ángulo de refracción correspondiente β. ¿Qué conclusión puedes sacar? Formula un enunciado. 2.) Traza un círculo de radio 5 cm. y centro en el punto de intersección de los ejes. Mide las semicuerdas a y b (figura 2) correspondientes a los ángulos de incidencia α y de refracción β. Anota los valores a la tabla 1. 3) Calcula el cociente n = a/b (índice de refracción) de todos los ángulos α, y anota los valores en la tabla 1. Compara los distintos valores de n entre sí. ¿A qué conclusión llegas? 4) Calcula el valor medio de n. 5) Piensa cuáles son los errores de medición que influyen sobre el resultado del índice de refracción n. Figura 2 Ejercicio complementario En la tabla 2 se da el índice de refracción de diversas clases de vidrio; compara con el valor que has obtenido de n. Piensa qué enunciado es posible, conociendo del índice de refracción, sobre la refracción de la luz al pasar de aire a vidrio. Tabla 1 Paso de la luz de aire a Cristal de cuarzo Plexiglás Vidrio crown Video flint Índice de refracción n 1.46 1.50 1.53 161 89 Práctica 47 REFRACCIÓN AL PASAR DE AIRE A AGUA Objetivo: Estudiar el comportamiento de un haz de luz estrecho al pasar la luz de aire a agua. Medir el ángulo de refracción en función del ángulo de incidencia, al pasar la luz de aire a agua. Material: Caja luminosa, halógena, 12V/20W con 3 diafragmas de cierre hermético con 1 diafragma, 1/2 rendijas Cubeta, en doble semicírculo Disco óptico Fuente de alimentación Introducción: Ver introducción práctica 43. Cuando un haz de luz pasa de un medio como aire a agua, se desvía acercándose a la normal porque el índice de refracción del agua es mayor que el del aire. En el caso contrario, es decir, si pasa de agua a aire, se aleja de la normal. En la figura 1, el haz se acerca a la normal al pasar del medio 1 al 2, por lo tanto podemos afirmar que n > n . El fenómeno de refracción de un rayo luminoso es la consecuencia del cambio en la rapidez de la luz en los diferentes medios transparentes por los cuales viaja el rayo. 2 1 Figura 1 Desarrollo experimental: Atención Cuida en todos los pasos del experimento que el haz de luz estrecho de la caja luminosa (figura 1) vaya siempre exactamente al centro del disco óptico (“pie de la normal”), y que la cubeta no varíe su posición al mover la caja. Montaje 1) Coloca el disco óptico delante de ti sobre la mesa y pon la cubeta exactamente entre las marcas, sobre el cruce de las perpendiculares, como se indica en la figura 1. La pared interior de la cubeta debe coincidir con la línea vertical. 2) Coloca el diafragma de una rendija en la caja luminosa, sobre la parte de la lente, y ponla aproximadamente a 1 cm. del disco óptico. 3) Pon, con cuidado, en la mitad de la cubeta más alejada de la caja luminosa unos 20 ml de agua. Experimento 1 Comportamiento del haz de luz estrecho en la superficie de separación aire-agua. 1) Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación (12V). 2) Desplaza la caja luminosa (figura 1: 1 -ajuste) hasta que el haz de luz estrecho transcurra exactamente sobre el eje óptico (línea 0º -normal al plano de incidencia). 3) Cuando la cubeta y la caja estén en la posición correcta, el haz de luz estrecho continuará discurriendo sobre el eje óptico después de atravesar el agua. 4) Desplaza la caja luminosa con cuidado (figura 1 : 2 -primera posición) hasta que el haz de luz incida sobre la cubeta bajo un ángulo de 40º (con respecto a la normal al plano de incidencia). 90 5) Describe el comportamiento del haz de luz estrecho al atravesar la superficie de separación aire-agua. 6) Compara el ángulo de incidencia α con el ángulo entre el haz de luz saliente (refractado) y el eje óptico (ángulo de refracción β). Figura 1: 1-ajuste, 2-primera posición Experimento 2 Determinar el ángulo de refracción β en función del ángulo de incidencia α 1) Desplaza la caja luminosa hasta que el haz de luz incida formando exactamente un ángulo de 10º con la normal al plano de incidencia (línea 0°). 2) Lee el ángulo de refracción β y anota su valor en la tabla 1. 3) Repite este procedimiento con los otros ángulos de incidencia α dados en la tabla 1. 4) Desconecta la fuente de alimentación. Resultados y conclusiones: Comportamiento del haz de luz estrecho en la superficie de separación aire-agua. 1) Comportamiento del haz de luz estrecho al incidir oblicuamente sobre el agua: 2) Comparación del ángulo de incidencia con el ángulo de refracción. Determinar el ángulo de refracción β en función del ángulo de incidencia α Tabla 1 Angulo de incidencia α 10º 10º 30º 45º 60º 75º 0º De acuerdo con lo que has observado 1) Describe el comportamiento del haz de luz estrecho cuando incide oblicuamente sobre la superficie de separación aire-agua. 2) ¿Por qué las imágenes reflejadas en grandes superficies de agua son más oscuras que el original?. 3) Compara los ángulos de incidencia α con sus correspondientes de refracción β de la tabla 1. Formula el resultado. 4) ¿Qué resultado da la medición con un ángulo de incidencia de 0°? Intenta razonar el resultado. 5) Sobre la base del resultado de las mediciones y de las condiciones del experimento, intenta formular una ley general sobre el paso de la luz a través de una superficie de separación aire-agua. Angulo de refracción β 91 Práctica 48 REFRACCION EN LA SUPERFICIE DE SEPARACIÓN DE DOS LIQUIDOS Objetivo: Medir el ángulo de refracción en función del ángulo de incidencia, al pasar la luz de aire a agua y de aire a glicerina. Medir el ángulo de refracción en función del ángulo de incidencia, al pasar la luz de agua a glicerina. Material Caja luminosa, halógena, 12V/20W con 3 diafragmas de cierre hermético con 1 diafragma, 1/2 rendijas Cubeta, en doble semicírculos Disco óptico Fuente de alimentación Glicerina Introducción: Ver introducción practica 43. Desarrollo experimental: Atención Cuida en todos los pasos del experimento, que el haz de luz estrecho de la caja luminosa (figura 1) vaya siempre exactamente al centro del disco óptico (“pie de la normal”), y que la cubeta no varíe su posición al mover la caja. Montaje 1) Coloca el disco óptico delante de ti sobre la mesa y pon la cubeta exactamente entre las marcas, sobre el cruce de las perpendiculares, como se indica en la figura 1. La pared interior de la cubeta debe estar en ángulo recto con el eje óptico, es decir, debe coincidir con la línea vertical. 2) Coloca el diafragma de una rendija en la caja luminosa, sobre la parte de la lente, y ponla aproximadamente a 1 cm. del disco óptico. Figura 1: 1 –ajuste, 2-primera posición Experimento 1 Paso de la luz de aire a líquido. 1) Pon, con cuidado, en la mitad de la cubeta más alejada de la caja luminosa unos 20 ml de agua. 2) Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación (1 2V). 3) Desplaza la caja luminosa (figura 1: 1 - ajuste) hasta que el haz de luz estrecho transcurra exactamente sobre el eje óptico (línea 0° - normal al plano de incidencia) 4) Cuando la cubeta y la caja estén en la posición correcta, el haz de luz estrecho continuará discurriendo sobre el eje óptico después de atravesar el agua. 5) Desplaza la caja luminosa con cuidado (figura 1 : 2 - primera posición) hasta que el haz de luz incida sobre la cubeta bajo un ángulo de 30º (con respecto a la normal al plano de incidencia). 6) Lee el ángulo de refracción β y anota su valor en la tabla 1. 7) Repite este procedimiento con ángulos de incidencia a de 45º y 60°, y anota los correspondientes ángulos de refracción β en la tabla 1. 8) Vacía el agua de la cubeta y sécala bien. Pon en lugar del agua unos 20 ml de glicerina. 9) Repite el experimento con la glicerina, y anota los resultados en la tabla 1. Experimento 2 Paso de la luz de agua a glicerina. 92 1) Una mitad de la cubeta tiene glicerina. Pon en la otra mitad unos 20 ml de agua. No mezcles los líquidos. 2) Coloca la cubeta de manera que la luz de la caja luminosa incida primero sobre el agua. 3) Ajusta la posición de la cubeta como en la primera parte del experimento (figura 1: 1 - ajuste). 4) Haz incidir la luz con los ángulos α dados en la tabla 2, y anota los ángulos de refracción β. 5) Desconecta la fuente de alimentación Resultados y conclusiones: Paso de la luz de aire a líquido. Angulo de incidencia α 30º 45º 60º Paso de la luz de agua a glicerina. Angulo de incidencia α en agua 30º 45º 60º Con los resultados obtenidos: 1) Compara los ángulos α y los correspondientes ángulos de refracción β de la tabla 1. ¿En cuál de los dos pasos se refracta más la luz?. 2) Ordena las tres sustancias agua, aire y glicerina, según su densidad óptica. 3) Compara los ángulos de incidencia α con sus correspondientes de refracción β de la tabla 2. ¿Cómo se comportan los haces de luz estrechos al incidir oblicuamente sobre la superficie de separación aire- glicerina?. 4) Intenta explicar el comportamiento observado del haz de luz estrecho en la superficie de separación aire-glicerina. Ejercicio complementario Calcula con los valores de la tabla 1 los índices de refracción del agua y la glicerina: 1) Traza, como en la figura 2, un círculo con un radio de 5 cm. Dibuja todos los ángulos α y β de la tabla 1. Mide las semicuerdas a y b correspondientes. 2) Anota los valores en la tabla 3. 3) Calcuta todos los cocientes n = a/b, y las medias de nw y nGI (índices de refracción). 4) Calcula igualmente el índice de refracción relativo nw / nGI del paso agua-glicerina (tabla 4). 5) Intenta encontrar una relación entre los índices de refracción nw y nGI y el índice de refracción relativo nw / nGI. Tabla 2 Angulo de refracción β en glicerina Tabla 1 Angulo de refracción β Agua Glicerina Figura 2 93 Tabla 3 Aire α 30º 45º 60º a/cm. β Agua b/cm nw β Glicerina b/cm. nGl Media nw= nGl= Tabla 4 Agua α 30º 45º 60º a/cm β Glicerina b/cm nw Media nw / nGI= 94 Práctica 49 REFRACCION AL PASAR DEL VIDRIO AL AIRE Objetivo: Estudiar el comportamiento de un haz estrecho al pasar la luz de cristal a aire, y medir el ángulo de refracción en función del ángulo de incidencia. Material: Caja luminosa, halógena, 12V/20W con 3 diafragmas de cierre hermético con 1 diafragma, 1/2 rendijas Cuerpo óptico, semicircular Disco óptico Fuente de alimentación Introducción: Ver introducción practica 43. Desarrollo experimental: Atención Cuida que en todos los pasos del experimento (figura 1) el haz de luz estrecho de la caja luminosa pase siempre exactamente en dirección al centro del disco óptico (“pie de la normal”), y que el cuerpo óptico no varíe su posición al mover la caja. Montaje Figura 1:1 –ajuste, 2 – primera medición 1) Coloca el disco óptico en la mesa delante de ti y el cuerpo óptico, con la superficie mate hacia abajo, sobre la línea vertical, dentro de las marcas, como se muestra en la figura 1. 2) Coloca el diafragma de una rendija en la caja luminosa sobre la parte de la lente, y ponla aproximadamente a 1 cm. del disco óptico. El lado semicircular del cuerpo óptico queda frente a la caja luminosa (figura 1). Realización 1) Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación (12V). 2) Desplaza la caja luminosa (figura 1:1- ajuste) hasta que el haz estrecho discurra exactamente sobre el eje óptico (línea 0°, “normal al plano de incidencia”). 3) Si la posición del cuerpo óptico y la caja es correcta, el haz de luz estrecho continuará discurriendo sobre el eje óptico después de atravesar el cristal. 4) Desplaza la caja luminosa (figura 1: 2 -primera medición) hasta que la luz incida sobre el cuerpo óptico formando un ángulo de 10° (con respecto a la normal al plano de incidencia). 5) Observa el comportamiento del haz de luz estrecho, después de atravesar el cuerpo óptico, al salir por la superficie de separación vidrio/aire; anota lo que observas. 6) Compara el ángulo de incidencia con el ángulo entre el haz de luz saliente (refractado) y el eje óptico (ángulo de refracción β). Anota de nuevo lo que compruebas. 95 7) Mide el ángulo de refracción y anota su valor en la tabla 1. 8) Desplaza la caja luminosa hasta que el haz de luz incidente forme exactamente un ángulo de 20° con la normal al plano de incidencia (línea 0º). 9) Lee el ángulo de refracción β correspondiente y anota de nuevo su valor en la tabla 1. 10) Repite este procedimiento con los ángulos de incidencia α dados en la tabla 1, anotando los ángulos de refracción β correspondientes. 11) Observa el comportamiento del haz de luz estrecho en la superficie de separación vidrio/aire, con el ángulo de incidencia α = 40°; anota lo que observas. 12) Desconecta la fuente de alimentación. Resultados y conclusiones: 1) Comportamiento del haz de luz estrecho al atravesar oblicuamente la superficie de separación vidrio/aire (α=10). 2) Comparación entre el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción. 3) Comportamiento del haz de luz estrecho al atravesar oblicuamente la superficie de separación vidrio/aire (α = 40°). Angulo de incidencia α 10º 20º 30º 40º Angulo de refracción β Describe, de acuerdo con lo que has observado: 1) Cómo se comporta el haz de luz estrecho al atravesar oblicuamente una superficie de separación vidrio/aire. 2) Compara entre sí los ángulos de incidencia α y los correspondientes de refracción β de la tabla 1. Di el resultado. 3) Compara las observaciones del haz de luz estrecho con α = 10º y α= 40°. ¿Qué diferencia puedes comprobar?. 4) Trata de explicar cómo se comportaría un haz de luz estrecho enviado por una fuente de luz bajo agua (ej.: la caja luminosa de un buceador) al atravesar la superficie de separación agua/aire. 96 Práctica 50 REFRACCION EN UN PRISMA Objetivo: Estudiar cómo se refracta la luz en un prisma. Determinar el ángulo total de refracción δ en un prisma, en función del ángulo de incidencia de la luz. Material: Caja luminosa, halógena, 12V/20W con 3 diafragmas de cierre hermético con 1 diafragma, 1/2 rendijas Cuerpo óptico, trapezoidal Cuerpo óptico, ángulo recto Disco óptico Fuente de alimentación Papel blanco DIN A4 Transportador Introducción: En óptica, un prisma es un objeto capaz de, refractar, reflejar y descomponer la luz en los colores del arco iris. Generalmente, estos objetos tienen la forma de un prisma triangular, de ahí su nombre. De acuerdo con la ley de Snell, cuando la luz pasa del aire al vidrio del prisma disminuye su velocidad, desviando su trayectoria y formando un ángulo con respecto a la interfase. Como consecuencia, se refleja o se refracta la luz. El ángulo de incidencia del haz de luz y los índices de refracción del prisma y el aire determinan la cantidad de luz que será reflejada, la cantidad que será refractada o si sucederá exclusivamente alguna de las dos cosas. Los prismas reflectivos son los que únicamente reflejan la luz, como son más fáciles de elaborar que los espejos, se utilizan en instrumentos ópticos como los prismáticos, los monoculares y otros. Los prismas dispersivos son usados para descomponer la luz en el espectro del arcoiris, porque el índice de refracción depende de la frecuencia (ver dispersión); la luz blanca entrando al prisma es una mezcla de diferentes frecuencias y cada una se desvía de manera diferente. La luz azul es disminuida a menor velocidad que la luz roja. Los prismas polarizantes separan cada haz de luz en componentes de variante polarización. Isaac Newton, al igual que sus contemporáneos científicos, pensaba que los prismas separaban los colores fuera de la luz incolora. Cuando hizo pasar cada color a través de un segundo prisma, descubrió que seguían iguales y fue el primero en descubrir que los prismas separan los colores de la luz. También usó una lente y un segundo prisma para volver a unir los colores separados en luz blanca. Desarrollo experimental: Atención Cuida que el haz estrecho procedente de la caja luminosa (figura 1) incida siempre sobre el cuerpo óptico exactamente en el centro del disco óptico (pie de la normal), y que el cuerpo no se mueva cuando se desplaza la caja. Experimento 1 Refracción de la luz en un prisma 1) Traza dos líneas perpendiculares en la hoja de papel. Al punto de intersección lo llamamos M. 2) Haz una marca en la línea horizontal, 3 cm. a la derecha de M. 3) Lleva al punto M un ángulo de 30º, y traza una línea auxiliar (figura 1). 4) Coloca el cuerpo trapezoidal sobre la línea vertical, como se ve en la figura 1. 5) Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación (12 V). 6) Coloca la caja luminosa de forma que el haz de luz estrecho incida sobre el cuerpo óptico con un ángulo de 30° (figura 1). 7) Observa la trayectoria del haz estrecho dentro y fuera del cuerpo óptico. Anota lo que observes. 8) Marca con pares de cruces el haz de luz incidente, y el centro del haz refractado. 9) Marca en el papel el contorno del cuerpo óptico. 10) Levanta un trozo del papel, ligeramente oblicuo, introduciéndolo en la trayectoria del haz refractado, y describe lo que observes. 11) Desconecta la fuente de alimentación y quita el cuerpo óptico del papel. 12) Une las marcas, para que se pueda ver la trayectoria del haz de luz antes, después y también en el interior del prisma. 97 Figura 1 Experimento 2 Determinación del ángulo total de refracción. 1) Cambia el montaje experimental según la figura 2. Coge el cuerpo en ángulo recto en lugar del trapezoidal. Colócalo en el disco óptico con uno de los catetos sobre la línea vertical (la parte mate hacia abajo). El ángulo recto debe coincidir con la marca. 2) Coloca la caja luminosa de forma que el haz de luz estrecho incida sobre el cuerpo óptico con un ángulo de 10° (figura 2). 3) Determina el ángulo total de refracción δ, y anota su valor en la tabla 1. El ángulo total de refracción δ es el formado por el rayo refractado y la prolongación imaginaria del rayo incidente (figura 2). 4) Repite esta medición con todos los ángulos de incidencia dados en la tabla 1, y anota en ella los valores de δ. 5) Desconecta la fuente de alimentación. Figura 2 Resultados y conclusiones: Refracción de la luz en un prisma. 1) Cual es la trayectoria del haz estrecho: 2) Describe el haz refractado: Determinación del ángulo total de refracción Tabla 1 Angulo de incidencia α Angulo total de refracción δ 10º 20º 30º 40º 50º 60º 70º 1) Traza las normales en la figura del experimento 1, y trata de explicar la trayectoria del haz de luz estrecho al atravesar el prisma, partiendo de tus observaciones y de la ley de la refracción. 2) ¿Qué sucede con la luz blanca cuando atraviesa un prisma? 3) Lleva al diagrama los valores medidos del ángulo total de refracción δ (figura 3). ¿A qué conclusión llegas? δ Figura 3 α 98 Práctica 51 DESCOMPOSICION DE LA LUZ EN UN PRISMA Objetivo: Estudiar la descomposición de la luz blanca (dispersión) al refractarse en un prisma. Material: Caja luminosa, halógena, 12V/20W con 3 diafragmas de cierre hermético con 1 diafragma, 1/2 rendijas Cuerpo óptico, trapezoidal Cuerpo óptico, ángulo recto Fuente de alimentación Papel blanco, DIN A4 Transportador de ángulos Regla Introducción: Prisma (óptica), bloque de vidrio u otro material transparente que tiene la misma sección transversal (generalmente un triángulo) en toda su longitud. Los dos tipos de prisma más frecuentes tienen secciones transversales triangulares con ángulos de 60 o de 45º. Los prismas tienen diversos efectos sobre la luz que pasa a través de ellos. Cuando se dirige un rayo de luz hacia un prisma, sus componentes de distintos colores son refractados (desviados) en diferente medida al pasar a través de cada superficie, con lo que se produce una banda coloreada de luz denominada espectro. Este fenómeno se conoce como dispersión cromática, y se debe al hecho de que los diferentes colores de la luz tienen distintas longitudes de onda, y son más o menos frenados al pasar a través del vidrio: la luz roja es la que resulta menos frenada, y la violeta la que más. El físico británico del siglo XVII Isaac Newton fue el primero en deducir, a partir de experimentos con prismas, que la luz solar ordinaria es una mezcla de los diferentes colores. Desarrollo experimental: Atención Cuida que el cuerpo óptico trapezoidal no se mueva cuando se desplaza la caja luminosa. Montaje 1) Coloca sobre la mesa la hoja de papel en sentido horizontal. Traza dos líneas perpendiculares en el tercio izquierdo de la hoja. Al punto de intersección lo denominamos M (figura 1). Haz una marca en la línea vertical a 6 cm. por encima de M. 2) Marca un ángulo de 28° desde el punto de intersección M, y traza una línea auxiliar (figura 1). 3) Dobla hacia arriba la esquina superior derecha del papel. Formará una especie de pantalla. 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 1. Dibuja el contorno del prisma. 5) Coloca la caja luminosa, con la parte de la lente, pero sin diafragma, oblicua por encima del cuerpo óptico (figura 1). Figura 1 Figura 2 Realización 1) Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación (12 V). 2) Desplaza la caja luminosa hasta que el borde inferior de la sombra del haz coincida con la línea auxiliar (figura 1). 3) Observa el haz refractado que sale del prisma formando franjas. Corrige, si es necesario, la posición de la caja luminosa girándola cuidadosamente. Su posición es correcta cuando el haz refractado se proyecta completamente coloreado sobre la pantalla, viéndose también el color violeta. 99 4) Tapa aproximadamente la mitad de la abertura de la caja luminosa, para que la luz salga sólo por la cara oblicua del prisma (figura 1). 5) Anota los colores que se ven en la pantalla. 6) Introduce cuidadosamente desde abajo la punta del prisma en ángulo recto dentro del abanico de colores del haz refractado (figura 2: 1). ¿Qué observas detrás de este prisma? Anótalo en la tabla 1. 7) Repite el mismo procedimiento, pero introduce en el haz la punta del prisma desde arriba (figura 2: 2). Anota de nuevo lo que observes en la tabla 1. 8) Quita el prisma en ángulo recto del papel. 9) Coloca el diafragma de una rendija en la caja luminosa, en la parte de la lente. 10) Desplaza la caja luminosa para que el haz de luz incida sobre el prisma paralelo a la línea auxiliar, a 1 cm. aproximadamente de ella. 11) Marca el haz de luz incidente, el centro y los bordes del haz refractado. Anota en la hoja de papel la posición de los colores. 12) Desconecta la fuente de alimentación y quita el cuerpo óptico del papel. 13) Traza, siguiendo las marcas, la trayectoria del haz de luz antes, dentro y detrás del prisma. Resultados y conclusiones: 1) Que colores observas en la pantalla Posición de la punta del prisma en ángulo recto En la zona del rojo En todo el haz Tabla 1 Observación En la zona del azul En todo el haz De acuerdo a las observaciones realizadas: 1) ¿Qué sucede con la luz blanca cuando atraviesa un prisma? 2) De qué color es la luz que más se ha refractado, y de qué color la que menos. 3) ¿Se pueden volver a descomponer los colores del espectro mediante un segundo prisma? 4) ¿Dónde puedes observar en la naturaleza fenómenos cromáticos similares? Ejercicio complementario: Traza en la hoja de papel las normales, e intenta explicar, por lo que has observado en el haz estrecho y utilizando la ley de refracción, la trayectoria de la luz al atravesar un prisma 100 Practica 52 REUNIFICACIÓN DE LOS COLORES DEL ESPECTRO Objetivo: Estudiar la posibilidad de reunificar la luz blanca, que ha sido descompuesta en un prisma. Material: Caja luminosa, halógena, 12V/20W con 3 diafragmas de cierre hermético con 1 diafragma, 1/2 rendijas Cuerpo óptico, semicircular Cuerpo óptico, trapezoidal Cuerpo óptico, plano convexo, f= +l00 mm. Fuente de alimentación Papel blanco, DIN A4 Transportador de ángulos Regla Desarrollo experimental: Atención Cuida que el cuerpo óptico trapezoidal no se mueva cuando se desplaza la caja luminosa. Montaje 1) Coloca sobre la mesa la hoja de papel en sentido horizontal. Traza dos líneas perpendiculares en el tercio izquierdo de la hoja. Al punto de intersección lo denominamos M (figura 1). Haz una marca a 6cm en la línea vertical por encima de M. 2) Marca un ángulo de 28° desde el punto de intersección M, y traza una línea auxiliar (figura 1). 3) Coloca el cuerpo trapezoidal sobre la línea vertical, entre el punto M y la marca a 6 cm., como indica la figura 1. 4) Coloca la caja luminosa, con la parte de la lente, pero sin diafragma, oblicua por encima del cuerpo óptico (figura 1). Realización 1) Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación (12V). 2) Desplaza la caja luminosa hasta que el borde interior de la sombra coincida exactamente con la línea auxiliar (figura 1). 3) Observa el haz refractado que sale del prisma formando franjas. Corrige, si es necesario, la posición de la caja luminosa girándola cuidadosamente. Su posición es correcta cuando en el haz refractado se distinguen todos los colores, viéndose también el color violeta. 4) Tapa aproximadamente la mitad de la abertura de la caja luminosa, para que la luz salga sólo por la cara oblicua del prisma (figura 1). 5) ¿Qué colores se observan? Anótalos en la tabla 1 (primera línea). 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. 7) Observa la trayectoria del haz refractado antes y después de pasar por la combinación de lentes, y anótalo en la tabla 1. 8) Suprime el color rojo del haz en abanico antes de que entre en las lentes, utilizando, p. ej. una tira de papel. Observa la variación del color reunificado, y anota de nuevo lo que observes en la tabla 1. 9) Repite el proceso, pero suprimiendo ahora la zona azul del espectro antes de las lentes. Obsérvalo y anota en la tabla 1. 10) Desconecta la fuente de alimentación, y quita los cuerpos ópticos del papel. Figura 1 101 Resultados y conclusiones: Tabla 1 Montaje experimental Trayectoria de la luz sin la combinación de lentes Combinación de lentes en la trayectoria de la luz Supresión de la zona del rojo Supresión de la zona del azul Contesta las siguientes preguntas 1) ¿Qué sucede con la luz blanca cuando atraviesa un prisma?. 2) ¿Qué cambios se producen cuando se hace pasar el haz abierto en abanico a través de una lente convexa?. 3) ¿Por qué la percepción del color varía cuando se suprimen colores del espectro? 4) ¿Se pueden reunificar los colores de la luz?. 5) ¿Se puede volver a descomponer por dispersión un color compuesto, obtenido por supresión de uno de los colores del espectro?. Observación 102 Práctica 53 DIFRACCIÓN DE UN HAZ DE LUZ. Objetivo: Desarrollar un experimento donde el alumno pueda apreciar el fenómeno óptico de la difracción de un haz de luz. Comprender el fenómeno de la difracción de la luz asociado con la naturaleza de la luz y la forma de propagación de la misma. Material: Caja de luz 12 Volts, 20 Watts. Fuente de alimentación de voltaje variable Disco óptico. Regla. Introducción: En física, la difracción es un fenómeno característico de las ondas que consiste en la dispersión y curvado aparente de las ondas cuando encuentran un obstáculo. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por culpa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz de un láser deben finalmente divergir en un rayo más amplio a una distancia suficiente del emisor. Comparación entre los patrones de difracción e interferencia producidos por una doble rendija (arriba) y cinco rendijas (abajo).El fenómeno de la difracción es un fenómeno de tipo interferencial y como tal requiere la superposición de ondas coherentes entre sí. Los efectos de la difracción disminuyen hasta hacerse indetectables a medida que el tamaño del objeto aumenta comparado con la longitud de onda. En Italia —posiblemente mientras Newton desarrollaba su famosa Óptica o Tratado de la reflexiones, refracciones, inflexiones y colores de la luz— un jesuita italiano, Francesco Grimaldi (1618-1663), físico y astrónomo, quien en 1651 dio los nombres que hasta ahora conservan los accidentes del lado visible de la Luna, descubría un importante fenómeno óptico llamado por él mismo difracción de la luz. Este fenómeno se presenta siempre que de la luz emitida por una fuente se separa una fracción interponiendo un cuerpo opaco y esto es lo que da origen a su nombre: división en fracciones. Desarrollo experimental: 1) Antes de comenzar con el presente experimento deberá de cerciorarse que el ambiente de trabajo sea un ambiente con poca luminosidad o en penumbras, para poder apreciar con facilidad el fenómeno de la difracción. 2) Coloque las rejillas de la caja de luz en los lados y en el lado del lente (este lado no será ocupado) para que no exista fugas de luz durante el experimento. 3) Coloque la caja de luz sobre la superficie de trabajo del extremo a utilizar (contrario al extremo del lente), se le insertará como pantalla una placa con un orificio de apenas 1milímetro de diámetro, esta placa debe de insertarse del extremo tal, que el haz de luz quede lo más cercano de la superficie de trabajo. 4) Acerque el disco con la cara graduada sobre la superficie del área de trabajo, es decir con la cara posterior del disco, hacia arriba. 5) Encienda la caja de luz por medio de la fuente de poder. 6) Tome el disco óptico y levántelo lentamente, del extremo contrario al extremo más cercano de la caja de luz. 7) Gradualmente mientras levanta el disco óptico podrá observar el fenómeno de la difracción como se ve en la figura. Se alcanza la forma más definida de este fenómeno a aproximadamente 60º de inclinación donde se distinguen más definidas las bandas fragmentadas de luz. Patrón De difracción producido por una rejilla simple 103 Difracción de la luz Disco Òptico Figura 1 Resultados y conclusiones. 1) Una vez visualizada la experiencia de la difracción sobre el disco óptico, sobreponga en el disco óptico una hoja en blanco, realice el arreglo para visualizar la difracción y marque los patrones formados por el fenómeno. 2) Realice una investigación acerca de las aplicaciones de la difracción de las ondas electromagnéticas y acerca del fenómeno de interferencia. 104 Práctica 54 MEDICIÓN DE TEMPERATURAS Y TRANSFORMACIÓN DE ESCALAS Objetivo: Medir temperaturas y transformar escalas de temperatura. Conocer el principio físico referencial, en el que se basan las escalas de medición de temperatura, y conocer los factores de conversión entre las escalas de temperatura. Material: 1 Matraz. 1 Soporte para matraz. 1 Soporte universal 1 Tela de amianto 1 Mechero 1 Termómetro en grados Centígrados. 1 Termómetro en grados Fahrenheit. 1 Cronómetro. 1 Interfase 1 Computadora 1 Sensor de temperatura Introducción: La temperatura es un parámetro termodinámico del estado de un sistema que caracteriza el calor, o transferencia de energía. Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (gaseoso, líquido, sólido, plasma...), la densidad, la solubilidad, la presión de vapor o la conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin. Sin embargo, está muy generalizado el uso de otras escalas de temperatura, concretamente la escala Celsius (o centígrada), y, en los países anglosajones, la escala Fahrenheit. También existe la escala Rankine (°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, es la escala utilizada en el Sistema Inglés Absoluto. Una diferencia de temperatura de un kelvin equivale a una diferencia de un grado centígrado. Desarrollo experimental: 1) Añadir agua en el matraz, y colocar el mismo sobre un soporte. 2) Colocar los dos termómetros con las escala en grados Centígrados y Fahrenheit, para realizar las medidas de temperatura. 3) Colocar el mechero en la parte inferior del matraz, y tomar las dos primeras lecturas de temperatura del agua y registrarlas. 4) Sincronizar el cronómetro de tal manera que se tomará las otras dos siguientes medidas de temperaturas cada minuto, los datos de temperaturas y tiempo se irán anotando para formar una tabla de valores (tabla 1). 5) Tomar las medidas de temperatura hasta el momento en el que el agua alcance el punto de ebullición. 6) Realiza los procedimientos de Inicio, y conexión de la interfase con la computadora descritos en “Guía De Experimentación Con Interfase, Sensores Y Computadora (Software Excel)”,Inicia el Programa Excel para la adquisición de datos con el sensor Temperatura. Determina el intervalo de tiempo para las mediciones por medio del temporizador. 7) Determina el experimento anterior haciendo uso del sensor de temperatura. Resultados y conclusiones: 1) Registrar los datos de la Temperatura en Grados Celsius y trasformar estos valores a grados Fahrenheit, formando así otra tabla de valores (tabla 2). 2) Tomar los datos de la Temperatura en Grados Fahrenheit y trasformar estos valores a grados Celsius, formando así otra tabla de valores (tabla 3). 3) Graficar las temperaturas de la tabla 1 (Temperatura vs Tiempo) 4) Graficar las temperaturas de las tablas 2y 3 (temperatura vs tiempo) en hojas milimétricas (eje x= Tiempo, eje y= Temperatura). 5) Comparar todos los resultados con los obtenidos con la interfase y el sensor de temperatura. 105 Práctica 55 EXPANSIÓN Y CONTRACCIÓN TÉRMICA “TERMÓMETRO DE GALILEO” Objetivo: Comprobar el aumento de un volumen de un gas debido al aumento de temperatura. Material: 1 Matraz Erlenmeyer 1 Tampón de goma mono horadado 1 Pipeta de 2 ml 1 Soporte universal 1 vaso de precipitado de 100 ml 1 lámpara de alcohol Introducción: Uno de los primeros dispositivos para evaluar la temperatura fue el “termoscopio a aire” inventado por Galileo. Ese termoscopio no puede ser considerado propiamente un termómetro, una vez que no establece valores numéricos para la temperatura, o sea, apenas indica si el cuerpo está más caliente o más frío de lo que otro tomado como referencia. El termoscopio de Galileo, es constituido de un bulbo conectado a un tubo de vidrio que tiene la extremidad inferior inmersa en un líquido. Cuando la temperatura del aire contenido en el bulbo aumenta, la presión del aire también aumenta y el nivel del líquido baja. Consta que, originalmente, Galileo habría usado vino en su termoscopio para visualizar mejor el nivel del líquido. Desarrollo experimental: 1) Conecte el tapón de goma al matraz Erlenmeyer y a la pipeta el tampón, observando que no haya pérdidas. 2) Adapte el conjunto al soporte universal, de modo que el borde del matraz Erlenmeyer quede para abajo. 3) Caliente un poco el Erlenmeyer y sumerja la extremidad abierta (inferior) en un vaso de precipitados de 100 ml. con agua. 4) Monte el termómetro y observe la variación de la columna en la pipeta cuando calentamos el Erlenmeyer o dejamos que enfríe a temperatura ambiente. Resultados y conclusiones: 1. ¿Por qué cuando calentamos el Matraz Erlenmeyer la columna de agua baja y cuando lo enfriamos la columna sube? 2. ¿Por qué el conjunto matraz Erlenmeyer + pipeta es llamado de termómetro? 106 Práctica 56 CAMBIO DE ESTADO Objetivo: Mostrar al alumno lo que ocurre con la temperatura de un cuerpo en cambio de estado. Observación: el agua pura tiene su temperatura de fusión a 1 atm, en 0°C. Cuando agregamos la sal esa temperatura disminuye, así se puede mantener el hielo por más tiempo. Material: 1 vaso de precipitado 1 Sensor de temperatura 1 Interfase Computadora. 1 paño 1 picahielo 1 cronómetro 1 Jeringa sin aguja 1 Tubo de ensayo Cubos de hielo Sal de cocina Regla Papel milimétrico 1 Termómetro en escala Centígrada. Introducción: En física y química se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados básicos son el sólido, el líquido y el gaseoso. La siguiente tabla indica cómo se denominan los cambios de estado: INICIAL /FINAL SÓLIDO LÍQUIDO fusión GAS Sublimación o sublimación progresiva evaporación y ebullición Sólido Líquido Gas solidificación sublimación inversa o regresiva condensación y licuefacción También se puede ver claramente con el siguiente gráfico: Los dos parámetros de los que depende que una sustancia o mezcla se encuentre en un estado o en otro son temperatura y presión. La temperatura es una medida de la energía cinética de las moléculas y átomos de un cuerpo. Un aumento de temperatura o una reducción de la presión favorecen la fusión, la evaporación y la sublimación, mientras que un descenso de temperatura o un aumento de presión favorecen los cambios opuestos. 4.500 ºC — No hay sólidos. 6.000 °C — No hay líquidos (solo gases). 107 10.000 °C — Sólo plasma Desarrollo Experimental 1) Con un pica hielo quiebre los cubos de hielo envueltos en paño. Eche el hielo picado a un vaso de precipitado, lea la temperatura y anote (Figura 1). 2) Retire el termómetro y agregue la sal de cocina, mezcle e introduzca el termómetro (Figura2). 3) Observe por algunos minutos la columna de mercurio en el termómetro y anote la temperatura final de equilibrio. 4) Introduzca un tubo de ensayo en la mezcla. Coloque el bulbo del termómetro dentro del tubo de ensayo a ½ centímetro del fondo (Figura 3). Con la jeringa, agregue agua al tubo de ensayo suficiente para cubrir el bulbo del termómetro. Anote la hora y la temperatura inicial del proceso. 5) Mueva suavemente el agua, con el propio termómetro, en el interior del tubo de ensayo, anote de 30 en 30 segundos, la temperatura del agua. Compruebe si hay cambio de estado. Figura 1 Figura 2 Figura 3 6) Realiza los procedimientos de Inicio, y conexión de la interfase con la computadora descritos en “Guía De Experimentación Con Interfase, Sensores Y Computadora (Software Excel)”, Inicia el Programa Excel para la adquisición de datos con el sensor temperatura. Determina el intervalo de tiempo para las mediciones por medio del temporizador. 7) Realice el experimento en esta ocasión con el sensor de temperatura tomando determinaciones en tiempo real y en forma mucho más precisan por medio de la cuál podrá visualizar en una gráfica en tiempo real el calor específico de las mezclas o cuerpos que cambien de estado físico. Resultados y conclusiones: 1. Observando el ítem 5, ¿Qué cambio de estado ocurrió?. 2. Realice el análisis sobre la gráfica generada con la interfase y la computadora. 3. ¿Cuál el significado físico del plató en el gráfico?. 4. En caso de que este experimento fuese realizado en otro lugar, con presión atmosférica diferente, ¿los valores encontrados serían los mismos?. En el cambio de estado no ocurre variación de temperatura, el calor cedido o retirado del cuerpo es llamado de calor latente, al plotarse, un gráfico de temperatura por calor cambiado de un cuerpo, que está a priori en, estado sólido, el plató (curva) presentará en un momento una recta paralela al eje del calor. Allí ocurre el cambio de estado. 108 Practica 57 CELDAS O PILAS Objetivo: Construir una pila Material: 2 Vasos de precipitado de 100 ml 1 Lámina de cobre 1 Lámina de zinc 2 Cables conectores caimán-caimán 1 Tubo en “U” Disolución 1 M de CuSO4 Disolución 1 M de ZnSO4 Disolución concentrada de KCl Algodón Lámpara tipo arroz Algodón Interfase Computadora. Sensor para voltaje. Sensor para corriente. Introducción: Se llama ordinariamente pila eléctrica a un dispositivo que genera energía eléctrica por un proceso químico transitorio, tras de lo cual cesa su actividad y han de renovarse sus elementos constituyentes, puesto que sus características resultan alteradas durante el mismo. Se trata de un generador primario. Esta energía resulta accesible mediante dos terminales que tiene la pila, llamados polos, electrodos o bornes. Uno de ellos es el polo positivo o ánodo y el otro es el polo negativo o cátodo. Aunque la apariencia de cada una de estas celdas sea simple, la explicación de su funcionamiento dista de serlo y motivó una gran actividad científica en los siglos XIX y XX, así como diversas teorías, y la demanda creciente que tiene este producto en el mercado sigue haciendo de él objeto de investigación intensa. El agua que tenga sales disueltas, es decir, agua ordinaria o agua con sal añadida, es un ejemplo de electrolito, pues el agua pura es prácticamente un aislante eléctrico. El electrolito es conductor porque contiene iones libres, partículas dotadas de carga eléctrica que pueden desplazarse por su interior. Si se sumergen en él dos electrodos y se hace pasar una corriente eléctrica por el circuito así formado, se producen reacciones químicas entre las sustancias del conjunto. Este proceso es el conocido fenómeno de la electrolisis. Las pilas son el proceso inverso de la electrólisis, es decir, en ellas los elementos están dispuestos de tal modo que la reacción química que se produce entre sus constituyentes cuando se cierra el circuito genere una diferencia de potencial en los electrodos, de modo que se pueda suministrar corriente eléctrica a una carga externa. El funcionamiento de una pila se basa en el potencial de contacto entre un metal y un electrolito, esto es, el potencial que se produce al poner en contacto un metal con un líquido. 109 Desarrollo experimental: 1) Colocar en un vaso de precipitados 50cm3 de disolución de CuSO4 e introducir en ella el electrodo de Cu [lámina de Cu]. Colocar en otro recipiente50 cm3 de disolución de ZnSO4 e introducir en ella el electrodo de Zn [lámina de Zn]. 2) Preparar el puente salino: - Tomar el tubo de vidrio en forma de “U” y llenarlo con la disolución de KCl. - Utilizar un trocito de algodón mojado en la disolución de KCl, para cerrar los dos extremos del tubo e intentar que no queden burbujas de aire en el interior del tubo. 3) Colocar el puente salino entre las dos disoluciones 4) Realiza los procedimientos de Inicio, y conexión de la interfase con la computadora descritos en “Guía De Experimentación Con Interfase, Sensores Y Computadora (Software Excel)”, Inicia el Programa Excel para la adquisición de datos con el sensor corriente y voltaje. Determina el intervalo de tiempo para las mediciones por medio del temporizador 5) Se unen las terminales caimán a las láminas y esto se une con las terminales de los sensores de voltaje y corriente en tiempo real registrando las variaciones en voltaje y corriente. 6) Podemos comprobar que hemos formado una pila al conectar los electrodos a la lámpara tipo arroz. Nota es conveniente que los electrodos, recipientes y puente salino estén muy limpios, para realizar correctamente las mediciones Resultados y conclusiones: 1) Escribir el fundamento de la pila seca 2) Escribir el fundamento y las reacciones que se efectúa el acumulador de un automóvil. 3) Analice los datos obtenidos en tiempo real 110 Práctica 58 GENERADOR TERMOELÉCTRICO Objetivo: Transformar energía calorífica en energía eléctrica. Material: 1 Generador termoeléctrico 2 Vasos de precipitado de 100 ml Hielo 1 Mechero 1 Soporte universal 1 Anillo 1 Tela de amianto 1 Motor para oscilaciones Introducción: La generación de energía eléctrica, en términos generales, consiste en transformar alguna clase de energía no eléctrica, sea esta química, mecánica, térmica, luminosa, etc., en energía eléctrica. Para la generación industrial de energía eléctrica se recurre a instalaciones denominadas centrales eléctricas, las que ejecutan alguna de las transformaciones citadas y constituyen el primer escalón del sistema de suministro eléctrico. Dependiendo de la fuente primaria de energía utilizada, las centrales generadoras se clasifican en: Térmicas Hidroeléctricas Nucleares Eólicas Solares termoeléctricas Solares fotovoltaicas Mareomotrices No obstante todos los tipos indicados, la mayor parte de la energía eléctrica generada proviene de los tres primeros tipos de centrales reseñados. Desarrollo experimental: 1) En un vaso de precipitado coloca unos cubos de hielo y en otro vaso de precipitado coloca agua caliente 2) Sumerja una de las dos placas del generador termoeléctrico en el vaso de precipitado con agua caliente y la otra placa se sumerge en el agua fría. 3) Puede extraerse corriente de las hembrillas una vez que las placas se han adaptado a la temperatura. 4) Con esta corriente hacer funcionar una el motor para oscilaciones. Resultados y conclusiones: 1) En que principio se basa el experimento. 2) Investigue el principio de conducción en semiconductores y las energías generadas en celdas de hidrógeno. 111 Práctica 59 ELECTRÓLISIS DEL AGUA Objetivo: Mostrar la descomposición del agua en sus elementos componentes. Comprobar el efecto de la electricidad sobre el agua. Comprender por qué sucede la electrolisis. Enseñar que la electrólisis es una fuente de energía. Material: 1 Fuente de poder (ajustada a 4,5 voltios) 1.5 Metro de cable eléctrico común 1 Tijeras 2 Bananas Cerillos Bicarbonato de sodio Agua 2 Tubo de ensaye de 12 cm. Vaso de precipitado Introducción: La electrolisis es el proceso de descomposición de una sustancia por medio de la electricidad. La palabra electrólisis significa "destrucción por la electricidad". La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos de los orgánicos se ionizan al fundirse o cuando se disuelven en agua u otros líquidos; es decir, sus moléculas se disocian en especies químicas cargadas positiva y negativamente que tienen la propiedad de conducir la corriente eléctrica. Si se coloca un par de electrodos en una disolución de un electrolito (compuesto ionizable) y se conecta una fuente de corriente continua entre ellos, los iones positivos de la disolución se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos hacia el positivo. Al llegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perder electrones y transformarse en átomos neutros o moléculas; la naturaleza de las reacciones del electrodo depende de la diferencia de potencial o voltaje aplicado. La acción de una corriente sobre un electrolito puede entenderse con un ejemplo sencillo con la electrolisis del agua. Si el agua se disuelve en bicarbonato de sodio, se disocia en iones oxigeno positivos e iones hidrógeno negativos. Al aplicar una diferencia de potencial a los electrodos, los iones oxigeno se mueven hacia el electrodo negativo, se descargan, y se depositan en el electrodo como átomos de oxigeno. Los iones hidrogeno, al descargarse en el electrodo positivo, se convierten en átomos de hidrógeno. Esta reacción de descomposición producida por una corriente eléctrica se llama electrólisis. En todos los casos, la cantidad de material que se deposita en cada electrodo al pasar la corriente por un electrolito sigue la ley enunciada por el químico físico británico Michael Faraday. Esta ley afirma que la cantidad de material depositada en cada electrodo es proporcional a la intensidad de la corriente que atraviesa el electrolito, y que las masas de distintos elementos depositados por la misma cantidad de electricidad son directamente proporcionales a las masas equivalentes de los elementos, es decir, a sus masas atómicas divididas por sus valencias. Todos los cambios químicos implican una reagrupación o reajuste de los electrones en las sustancias que reaccionan; por eso puede decirse que dichos cambios son de carácter eléctrico. Desarrollo experimental: El bicarbonato sódico servirá para potenciar el proceso de separación del hidrógeno y el oxígeno. La eficiencia del proceso podría ser mayor aún si empleáramos determinadas sustancias en vez del bicarbonato, pero éstas resultan estar también entre las más peligrosas, como por ejemplo el ácido sulfúrico. 1) Añadiremos pues un par de cucharaditas de bicarbonato de sodio a un vaso de precipitado de 100 ml. y agitamos hasta que el bicarbonato se disuelva en ella. 2) En un vaso de agua debemos introducir los dos tubos de ensayo, que han de estar boca abajo y completamente llenos de agua, de modo que no quede ninguna burbuja de aire en su interior. (Para conseguirlo, podemos llenarlos boca arriba hasta que el agua se derrame y entonces tapar su boca fuertemente con un dedo mientras les damos la vuelta y los sumergimos en el vaso). Es importante que no queden burbujas de aire dentro de los tubos. 112 3) Con unas tijeras cortamos dos trozos de cable y pelamos sus extremos. Atornillamos un cocodrilo a un extremo del primer cable. Repetimos la operación con el otro cocodrilo y el segundo cable. 4) Después introducimos el extremo libre de uno de los cables dentro de uno de los tubos de ensayo, aproximadamente a media altura. Disponemos de igual modo el segundo cable con el segundo tubo. 5) Una vez que tenemos cada cable insertado dentro de su correspondiente tubo, fijamos los extremos provistos de bananas en la fuente de poder. Tenemos así un cable que enlaza la terminal positiva con un tubo, y otro que enlaza el negativo con el otro tubo. Resultados y conclusiones: El cable positivo liberará oxígeno en su tubo, mientras que el negativo liberará hidrógeno en el suyo. Nos daremos cuenta al ver subir diminutas burbujas en cada tubo, especialmente el del hidrógeno. Llegará un momento en que será visible con toda claridad que el nivel del agua en el techo de cada tubo ya no llega hasta el límite, sino que ha descendido, desplazado por la presencia de gas que se ha acumulado allí. El tiempo necesario para obtener resultados apreciables a simple vista puede variar en función de diversos parámetros, entre ellos el voltaje de la pila. Una hora suele ser un tiempo mínimo razonable de espera. Si queremos acelerar el proceso, podemos ajustar a un voltaje mayor. Cuando demos por terminado el experimento, podemos realizar una comprobación final. Tirando un cerillo encendido dentro del tubo del hidrógeno en el instante en que lo saquemos del agua y comencemos a ponerlo boca arriba, escucharemos un diminuto estampido. Si hacemos lo mismo con el del oxígeno pero con un cerillo recién apagado, veremos como de repente resplandece. Para manejar cada tubo del mejor modo, conviene recordar que el hidrógeno es 14 veces más ligero que el aire, y que el oxígeno es un diez por ciento más pesado que el aire. En el experimento realizado, la electricidad ha descompuesto agua en hidrógeno y oxígeno. Este proceso de descomposición de una sustancia por medio de la electricidad, la electrólisis, es de gran utilidad para diversas actividades industriales. El agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Por ello, si el experimento se ha realizado correctamente, en el tubo del hidrógeno se habrá acumulado el doble de gas que en el del oxígeno. 113 Práctica 60 ASOCIACIÓN DE RESISTORES EN PARALELO Objetivo: Estudiar la asociación de resistores en paralelo. Material: 3 resistores de 100 W, 3 lámparas de 12 V, Sensor de corriente Sensor de voltaje Conexiones eléctricas con pino de banana Conexiones eléctricas con garra de jacaré Interfase Sensor de voltaje Introducción: En los aparatos con los cuales convivimos diariamente, existen diversos tipos de circuitos eléctricos. Entre los más sencillos están aquellos que presentan una fuente eléctrica, una llave o interruptor y un solo tipo de componente eléctrico. Cuando este componente es un resistor, como en el caso de algunas duchas, lámparas y algunos calentadores, llamamos el circuito de resistivo. Los circuitos resistivos se tornan más complejos cuando involucran más de un resistor, pudiendo existir dos formas de combinación de estos resistores. Son las llamadas asociaciones en serie y en paralelo. En la asociación en paralelo, si desconectamos uno de los componentes, los demás componentes continúan conectados, en este tipo de asociación, todo ocurre, como si cada componente estuviese conectado directamente a la fuente, funcionado independientemente unos de otros. Desarrollo Experimental: 1) Use las tres lámparas y monte la configuración indicada en la figura 1 y con los tres resistores la configuración indicada en la figura 2. Figura 1 Figura 2 2) Use, en este caso, una fuente de alimentación y el interruptor indicado, será la propia llave del panel de control. 3) Acompañe la tabla 1 con las acciones sugeridas, para el conjunto de lámparas y posteriormente para el conjunto de resistores. 4) Observe atentamente, las alteraciones ocurridas y anote en su espacio propio de la tabla. Para las medidas de tensión, observe las indicaciones de las figuras 3 y 4. Tabla 1: Alteraciones ocurridas 114 A y E= A y E= B y F= B y F= C y G= C y G= D y H= D y H= 5) Realiza los procedimientos de Inicio, y conexión de la interfase con la computadora descritos en “Guía De Experimentación Con Interfase, Sensores Y Computadora (Software Excel)”, Inicia el Programa Excel para la adquisición de datos con el Voltaje. Determina el intervalo de tiempo para las mediciones por medio del temporizado. Debemos recordar que: Para medir voltajes: se coloca el sensor en paralelo con el circuito. Resultados y conclusiones: 1. ¿Cuál es la diferencia entre los montajes mostrados en las figuras 1 y 2?. 2. ¿Cómo saber en cada una de ellas, de manera sencilla si el circuito está conectado?. 3. ¿Cuál el voltaje aproximado abastecido por la fuente, cuándo su selector está en 50% y 100%? ¿Cómo podemos determinarlo con mayor exactitud y precisión?. 4. ¿Qué ocurre cuando desconectamos uno de los componentes? ¿Cuáles son las implicaciones de este hecho?. 5. ¿Qué podemos afirmar respecto de las tensiones sobre cada uno de los componentes y de la tensión total sobre el sistema?. Acción sugerida 1)Encienda la fuente de poder 2) Coloque el selector de fuente en 50% (6V) 1) Coloque el selector de fuente a 100 % (12 V) 2) Desconecte uno de los componentes 3) Con el sensor en Volts evalué el voltaje entre los puntos Resultado observado o medido para Lámparas Resistores 115 Práctica 61 ASOCIACIÓN DE RESISTORES EN SERIE Objetivo: Estudiar la asociación de resistores en serie y verificar la tensión, intensidad de corriente y resistencia del conjunto. Material: 3 resistores de 100 W, 3 lámparas de 12V, Sensor de corriente Sensor de voltaje Conexiones eléctricas banana Conexiones eléctricas caimán Interfase Sensor Voltaje Introducción: En la asociación en serie, si desconectamos uno de los componentes, todo el conjunto se desconecta (este hecho es visible en las lámparas). Esto ocurre porque en esa asociación la corriente pasa componente por componente y, para llegar al próximo necesita, primero pasar por el anterior. Desarrollo experimental: 1) Monte la configuración como indica la Figura 1, usando las tres lámparas y con los tres resistores la indicada en la Figura 2. Figura 1 Figura 2 2) Use la fuente del alimentación y en este caso el interruptor indicado es la propia llave del panel de control. 3) Acompañe, en la Tabla 1 las acciones sugeridas, ejecutándolas primero para el conjunto de lámparas y, posteriormente, para el conjunto de resistores. Observe atentamente las alteraciones ocurridas y anote en el espacio adecuado de la Tabla1. Para las medidas de tensión y corriente, observe las indicaciones de las Figuras 3 y 4. Figura 3 Figura 4 116 Tabla 1 Acción sugerida 1)Encienda la fuente de poder 2) Coloque el selector de fuente en 50% (6V) 1) Coloque el selector de fuente a 100 % (12 V) 2) Desconecte uno de los componentes 3) Con el sensor en Volts evalúe el voltaje entre los puntos Resultado observado o medido para Lámparas Resistores X y A= A y B= B y C= C y D= X y A= A y B= B y C= C y D= 4) Realiza los procedimientos de Inicio, y conexión de la interfase con la computadora descritos en “Guía De Experimentación Con Interfase, Sensores Y Computadora (Software Excel)”, Inicia el Programa Excel para la adquisición de datos con el voltaje. Determina el intervalo de tiempo para las mediciones por medio del temporizador. 5) Debemos recordar que: Para medir voltajes: se coloca el sensor en paralelo con el circuito. 6) Teniendo como referencia, los procedimientos realizados y en los datos colocados en la tabla 1, responda el cuestionario. Resultados y conclusiones 1. ¿Cuál es la diferencia entre los montajes mostrados en las Figuras 1 y 2?. 2. ¿Cómo saber, de forma sencilla, si en cada uno de ellos, el circuito está conectado? 3. ¿Cuál es el voltaje, aproximado, de abastecimiento de la fuente, cuando su selector está en 50%?¿y cuándo está en 100%?¿Cómo podemos determinarlo con exactitud y precisión?. 4. ¿Qué ocurre cuando desconectamos uno de los componentes?¿Cuáles son las implicaciones de este hecho?. 5. ¿Qué podemos afirmar, al respecto de las tensiones sobre cada uno de los componentes y de la tensión total sobre el sistema?. 117 Práctica 62 EL MAGNETISMO Y LA ELECTRICIDAD Objetivo: Demostrar que la variación del flujo magnético en el interior de un solenoide, produce una corriente eléctrica. Materiales y reactivos: Sensor de voltaje 1 imán en forma de pastilla 2 cables pequeños Conexiones Banana 1 solenoide Interfase Computadora Sensor de Voltaje Introducción: En 1831 el científico inglés M.Faraday descubrió el “Fenómeno de Inducción Electromagnética”. Gracias a este descubrimiento, fue posible construir, los dínamos, que son aparatos cuyo funcionamiento se basa en el fenómeno de la Inducción Electromagnética y que transforman energía mecánica (de una caída de agua) en energía eléctrica. En la medida en que aproximamos el solenoide del polo del imán, crece el número de líneas de campo magnético que penetran en su interior. Esta variación del flujo magnético dentro del solenoide, induce una tensión o diferencia de potencial entre sus terminales. Desarrollo experimental: 1) Monte el siguiente circuito Sensor Figura 1 Figura 2 Sensor 2) Varíe rápidamente la distancia del solenoide al imán, produciendo oscilaciones verticales con pocos centímetros de amplitud (Figura 2). 3) Realiza los procedimientos de “Guía de experimentación Con Interfase, sensores y Computadora”, inicia el Programa Excel para la adquisición de datos con el sensor Voltaje. Determina el intervalo de tiempo para las mediciones por medio del temporizador. 4) Mientras se está variando la distancia entre el solenoide y el imán, observe las lecturas del sensor. Resultados y conclusiones: 1) ¿Qué sucede con el sensor cuando el solenoide está descansando sobre el imán? 2) ¿Qué sucede con el sensor cuando el solenoide se está moviendo en sus proximidades? 3) Observe la Figura: Figura 3 El imán está en la posición X = 0 Imagine la espira de un solenoide partiendo de X = 00 y aproximándose al imán. 118 4) Cuándo, la espira está en X = 00 ¿existe alguna línea de campo magnético “penetrando” en su interior? 5) Cuando la espira se está aproximando al polo del imán ¿existe alguna variación en el número de líneas de campo magnético que “penetren” en su interior?¿Esta cantidad de líneas que “penetran” en la espira va aumentando o disminuyendo? Observe la Ley de la inducción de Faraday y describa lo que surge entre las extremidades A y B de la espira. 6) Cuando la espira llega al polo del imán y permanece parada, ¿Existe variación en el número de líneas de campo magnético que “penetran” en su interior? ¿Aparece f.e.m. inducida en la espira en esta condición? 7) Luego de haber estacionado junto al polo del imán, la espira sale del reposo y comienza a alejarse del polo del imán. ¿En la medida en que la espira se aleja hay variación en el número de líneas del campo magnético que “penetran” en el interior del solenoide?¿Esta cantidad de líneas aumenta o disminuye? Observe la Ley de Inducción de Faraday y describa lo que sucede entre las extremidades A y B de la espira. Como el Sensor (resistencia interna muy baja, prácticamente nula) está conectado al solenoide, esta diferencia de potencial inducida, queda denunciada por el pasaje de una corriente eléctrica en su interior, indicada por una medida en la escala. Cuando no hay movimiento relativo, el solenoide está en el infinito o estacionado junto al imán, no hay variación del flujo magnético en el interior del solenoide y, por lo tanto no aparece la fuerza electromotriz inducida, que provocaría el movimiento de las cargas eléctricas. Al paso que, al sacar el solenoide de la condición de reposo y el alejamiento del imán, el número de líneas de campo magnético en el interior del solenoide, decrece y esta variación del flujo magnético también induce una f.e.m. que produce una corriente eléctrica acusada por el sensor. Entonces, cuando variamos constantemente el flujo magnético en una bobina, ella produce corriente eléctrica y tenemos el dispositivo funcionando como un generador de corriente continua o dínamo. Cuando usamos el proceso en sentido inverso (una corriente circulando en un dispositivo apropiado) el mismo producirá un campo magnético (inductor) en su entorno, lo cual hará girar un rotor (inducido) y tendremos un motor eléctrico. 119 Práctica 63 MAGNETIZACIÓN Objetivo: Mostrar algunas formas de magnetización y determinar factores que influyen en la desmagnetización de un material. Material: 1 núcleo 1 clavo 1 imán 1 lámpara de alcohol 1 limalla de hierro 1 solenoide Fuente de alimentación 2 conexiones caimán 2 Conexión banana Introducción: Los átomos en un material magnético se agrupan en regiones magnéticas microscópicas llamadas dominios. Se considera que todos los átomos dentro de este dominio están magnéticamente polarizados a lo largo del eje cristalino. En un material no magnetizado los dominios, están orientados en direcciones al azar. Esta teoría del magnetismo es muy amplia y útil, ya que ofrece una explicación de muchos efectos magnéticos observados en el material. Por ejemplo, una barra de hierro no magnetizada puede transformarse en un imán simplemente sosteniéndolo cerca de otro imán o en contacto con el. Este proceso se llama inducción magnética. El magnetismo inducido suele ser temporal y cuando el campo se suprime paulatinamente los dominios se vuelven a desorientar. Desarrollo experimental: Parte l 1) Preparar el solenoide para ser conectado en la fuente de alimentación. 2) Observación: no mantenga, el solenoide conectado a la fuente durante mucho tiempo. 3) Coloque el clavo dentro del solenoide y espere algún tiempo. 4) Aproxime el clavo a la limalla de hierro y verifique si está magnetizado. 5) Someta este cuerpo a los choques mecánicos y compruebe si el cuerpo se desmagnetizó, aproximándolo a la limalla de hierro. 6) Magnetice el cuerpo nuevamente y sométalo a la acción del calor, utilizando de la lamparilla. 7) Aproxime la limalla de hierro. Parte II 1) Tome un pedazo de hierro e imántelo, por frotación, con un imán. 2) Repita los procedimientos 3, 4 y 5 Resultados y conclusiones: 120 1. Cuándo calentamos un pedazo de hierro magnetizado, ¿Qué sucede con sus propiedades magnéticas? 2. ¿Por qué las propiedades de un cuerpo son eliminadas cuando este es calentado? 3. ¿De qué manera los choques mecánicos influyen en la desmagnetización de un material? Comentarios Cuando un material ferromagnético (un pedazo de hierro) sufre magnetización, sus dominios se alinean, ocurriendo el acoplamiento de muchos dominios, resultando en un imán único, de mayores dimensiones y campo magnético intenso. Por otro lado, cuando este pedazo de hierro sufre desmagnetización, los polos N y S de sus dominios se atraen recíprocamente, sin ninguna orientación predominante, haciendo con que el campo magnético resultante sea débil. En el caso de que sometamos un material magnetizado, a los choques mecánicos, veremos que el mismo perderá sus propiedades magnéticas, lo mismo ocurrira cuando lo calentamos. Tanto en uno como en otro caso, provocamos un aumento general en la vibración de los átomos y dominios del material y, en consecuencia, favorecemos el desaliño de sus dominios magnéticos. Como resultado promovemos su desmagnetización. A la temperatura anteriormente mencionada, de la cual un material pierde sus propiedades magnéticas es denominada “Temperatura Curie” y corresponde al límite práctico en que se puede utilizar un imán en un dispositivo cualquiera (eléctrico, por ejemplo). Algunos materiales son difíciles de magnetizar, mas, una vez imantados difícilmente pierden la imantación – los imanes son permanentes como el acero duro. Ya otros materiales son de imantación prácticamente instantánea, pero también la pierden con gran facilidad (como en el caso del acero dulce) y ese es muy usado en los electroimanes, en que el magnetismo necesita ser activado o desactivado rápidamente (llaves magnéticas, por ejemplo). 121 Práctica 64 CAMPO MAGNÉTICO DE UN SOLENOIDE Objetivo: Definir la forma de las líneas de campo magnético, creadas por la corriente eléctrica que pasa a través de un solenoide, y comparar estas líneas de fuerza con las líneas de campo magnético, producidas por un imán permanente en forma de barra. Material: 1 solenoide con núcleo 1 imán en forma de barra Limalla de hierro 2 cables tipo banana 2 cables caimán Fuente de alimentación regulable 1 hoja de papel 1 bandeja de plástico Introducción: En 1820 el físico dinamarqués Han Christian Oersted, descubrió una relación entre fenómenos magnéticos y eléctricos. En sus experimentos, notó que todo conductor al ser recorrido por cargas, crea en su entorno, un campo magnético. Cuando un conductor, es enrollado en forma de solenoide o bobina, este efecto magnético, generado por la corriente eléctrica, es reforzado. Desarrollo experimental: Experimento 1 Forma De Las Líneas De Campo Producidas Por Un Solenoide 1) Asegúrese si todo el equipo está desconectado. 2) Coloque la hoja de papel sobre la bandeja de plástico y, este conjunto, encima del solenoide (Figura 1). 3) Distribuya en toda la hoja la limalla de hierro hasta quedar bien fina. 4) Derrame pequeña cantidad de limalla de hierro. 5) Asegúrese, que la fuente de alimentación, el botón regulable de la tensión esté en la posición 0% y luego conecte la llave aumentando gradualmente hasta 12 volts. 6) Derrame, nuevamente, limalla sobre toda la superficie del papel, dando suaves golpes en la bandeja, facilitándole a la misma, la acomodación. 7) Desconecte el equipo, luego de la limalla estar acomodada. 8) Cuide que el experimento no rebase los 10 minutos. Figura 1 Experimento 2 Definición De La Forma De Las Líneas De Campo Magnético Producido Por Un Imán En Forma De Barra. 1) Monte la configuración. Figura 2 2) Derrame, pequeñas cantidades de limalla de hierro sobre toda la superficie del papel, y produzca, con el dedo pequeños golpes mecánicos en la bandeja, para facilitar la mejor acomodación de la misma, sobre la acción del imán. 122 Resultados y conclusiones: 1) ¿Que ocurre cuándo la corriente atraviesa un conductor? 2) Luego de realizar el procedimiento 6 de la Parte 1, dibujar en un papel, las formas de las líneas de campo producidas por el solenoide. 3) Luego de realizar el procedimiento 2 de la Parte 2, dibujar en un papel las formas de las líneas de campo producidas por el imán. Al comparar las líneas de campo producidas por un imán y por un solenoide, llegamos a la conclusión, que la forma de las líneas de campo producidas por la corriente eléctrica en un solenoide, es igual a la forma de las líneas de campo magnético producidas por un imán en forma de barra. Razón por la cual decimos que, un solenoide atravesado por una corriente eléctrica, posee cualitativamente el mismo comportamiento magnético de un imán en forma de barra. Son hechas las siguientes observaciones experimentales: La práctica de la Parte 2, puede ser realizada solamente con un imán pequeño, pero una asociación de varios imanes mejora bastante la visualización del efecto. Se recomienda que en la Parte l, el montaje no quede conectado por más de 10 minutos. 123 Práctica 65 TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA SOLAR A ELECTRICA Objetivo: Conocer como se genera la electricidad a través de celdas fotovoltaicas, visualizar como varia la energía eléctrica generada por la celda solar respecto a la intensidad luminosa. Reconocer la energía solar como una seria alternativa de energía eléctrica. Material: Celda solar de 4.5 V Motor Propela Conjunto de focos de diferentes watts Cables de conexión Base para focos Base de motor Sensor de voltaje Interfase y computadora Introducción Celda Solar Las células o celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, ya sea directamente vía el efecto fotovoltaico, o indirectamente mediante la previa conversión de energía solar a calor o a energía química. La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del fotovoltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil. Desarrollo experimental: 1) Procedimiento interfase Experimento 1 1) Conecte los caimanes del sensor de voltaje directamente a las terminales de la celda solar durante este tiempo la celda debe estar protegida de cualquier elemento emisor de luz. 2) Descubra la celda y por medio del software registre en tiempo real los valores generados de voltaje por la celda solar. 3) Haciendo uso de la fuente de poder y de los cables de conexión, conecte una bombilla de 40 W, en el extremo contrario de la mesa de trabajo respecto de la celda solar. 4) Acerque la bombilla hacia la celda solar gradualmente registrándose los valores por medio de la interfase esperando por cada acercamiento que el valor de voltaje generado por la celda se estabilice. 5) Repita este mismo experimento con las otras bombillas. Experimento 2 1) Monte el motor sobre su base. 2) Realice una conexión entre el motor y la celda solar cubierta. 3) Realice los pasos 3 del experimento 1. 4) Acerque la bombilla hacia la celda solar y verifique la reacción en el motor. Resultados y conclusiones: Por medio de los datos obtenidos con la interfase determine la relación entre la intensidad luminosa y el voltaje recibidos por la celda solar. Desarrolla un ensayo acerca del uso de la celda solar como alternativa energética no contaminante. 124 ANEXO RIEL DE SOPORTE-PIE (LONGITUD:30 cm.) Perforaciones con tornillos ajustables para varillas de soporte. En el lado inferior un tornillo de apriete para el soporte de la pinza de mesa con ranura. Rosca para tornillo de apriete por el lado inferior. Utilización con la pieza de unión para rieles. Perforaciones con tornillo de apriete para varilla de soporte 25 cm. con capuchones de plástico. Utilización como pie de soporte Varilla de soporte de 25 cm. con capuchones de plástico (capuchones desmontables) PIEZA DE UNION DE RIELES Pieza de unión para rieles como juntura para dos rieles de soporte (plano inclinado, banco óptico). Longitud: 60 cm. ANEXO PINZA DE MESA Pinza de mesa con ranura En el lado inferior del riel de soporte un tornillo de apriete para el soporte de la pinza de mesa con ranura (el riel de soporte por lo tanto puede ser fijable sobre un tablero de mesa) JINETE PARA VARILLAS DE SOPORTE Para colocar y fijar sobre rieles de soporte. Para el soporte de varillas de soporte JINETE CON RANURA Para colocar y fijar sobre rieles de soporte y para el soporte de varillas de soporte, pantallas, escala. ANEXO NUEZ Perforaciones con tornillo de apriete para varillas de soporte Perforaciones con tornillo de apriete para varillas de soporte y anillos de soporte Ranura para soporte de muelles de lámina, láminas bimetálicas, etc. Perforación para soporte de bulones, de cojinetes y poleas con estribo ANEXO BULONES DE COJINETES Para soporte de poleas (polea fija), muelles helicoidales, etc. SOPORTE PARA DINAMÓMETRO Para montar en el jinete, para varillas de soporte y para el soporte de dinamómetros. ANEXO NUEZ REDONDA Utilización como manguito de empalme para varillas de soporte Nuez de soporte para rieles de soporte (plano inclinado) BIBLIOGRAFIA Manual de prácticas. Mecánica 1. NTL Technologie Zentrum. Werner von Siemensstrasse 1. Fruhmann GMBH, 7372 Karl, Austria. Manual de prácticas. Mecánica 2. NTL Technologie Zentrum. Werner von Siemensstrasse 1. Fruhmann GMBH, 7372 Karl, Austria Serie de escritos PHYWE, La física en experimentos de Alumnos. Óptica, Phywe Systeme GMBH. D37070. Göttingen BLOUGH et al. Como enseñar ciencias. São Paulo: Ed. Edart, [s/d.]. 3 vols. CATELLI, Francisco. Física experimental. Caxias do Sul, RS: [s/ed.], 1995. 2 vols. DELL’ARCIPRETE, Nicolangelo et al. Física. São Paulo: Ática, [s/d.]. 3 vols. EDUCATIONAL SERVICES INCORPORATED. Introducción a la física. São Paulo: Ed. Edart, 1973. FERRAZ, NETTO, Luiz. Manual de ferias de ciencias y trabajos. São Paulo: Centro de Recursos Educacionais, 1994. FERREIRA, Luiz Carlos. Estudio dirigido de física. São Paulo: Nacional, [s/d.]. 3 vols. FREITAS, Aníbal. Física. São Paulo: Melhoramentos, [s/d.]. 3 vols. FUCHS, Walter R. Física moderna. São Paulo: Polígono, [s/d.]. FUNDAÇÃO BRASILEIRA PARA O ENSINO DE CIÊNCIAS (FUNBEC). Laboratorio básico polivalente de ciencias para 1º. Rio de Janeiro: [s/ed.]. 1978.. GASPAR, Alberto. Experiencias de ciencias para 1º. São Paulo, Ática, 1996. GOMES FILHO, Francisco Alcântara. Física. São Paulo: Nacional, [s/d.]. 3 vols. GONÇALVES, Dalton. Física. 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