Física III - Universidad de Londres

UNIVERSIDAD DE LONDRES - PREPARATORIA
Academia Físico-Matemáticas
GUIA DE FISICA III - 4o año.
Plan : 96
Clave materia : 1401
Clave UNAM : 1244
Año : 2012
Profr : Ing. Antonio Chagoya López
Coordinadora de academia: M. en C. Elsa Frias Silver
A continuación encontrarás una serie de ejercicios que tendrás que desarrollar para alcanzar los aprendizajes antes descritos,
se recomienda que antes de iniciar las respuestas a los mismos, te refieras a la bibliografía recomendada y la tengas a la
mano para que se facilite el aprendizaje.
UNIDAD I. Introducción al curso y la relación de la Física con el entorno social.
Propósitos:
Que el alumno adquiera una visión preliminar del curso, de sus objetivos y partes constituyentes, además de
relacionar la Física con su vida cotidiana y su entorno socio-cultural.
ACTIVIDADES DE INTEGRACIÓN
1.
2.
3.
4.
Definición de la Física, su importancia en el entorno social y desarrollo tecnológico.
Relación de la Física con otras ciencias.
División de la Física para su estudio.
Metodología de la Física.
UNIDAD II. Interacciones mecánicas, fuerza y movimiento.
Propósitos:
Que el alumno construya modelos cualitativos de la mecánica newtoniana y los aplique en el análisis y descripción de algunos movimientos en su entorno, además de construir y manejar modelos cualitativos para la presión
en los fluidos.
Conceptos físicos claves de la unidad: fuerza, masa, presión, velocidad media, cambio de velocidad, longitud,
tiempo.
ACTIVIDADES DE INTEGRACIÓN
5. Explicar la Tercera ley de Newton
6. Explicar el concepto de fuerza. El carácter vectorial de la fuerza.
7. Explicar el concepto de velocidad media.
8. Explicar el movimiento rectilíneo uniforme
9. Explicar el movimiento uniforme acelerado.
10. Explicar el fenómeno de la caída libre.
11. Explica la primera ley de Newton.
12. Explica la segunda ley de Newton.
13. Explica a qué se debe el peso de un cuerpo.
14. Explica la aplicación de fuerzas los fluidos.
15. Explica el concepto de presión, presión atmosférica, presión hidrostática.
16. Explica el Principio de Arquímedes, el Principio de Pascal, La Ley de Boyle, Charles y Gay-Lussac.
1
PROBLEMAS A DESARROLLAR. (VECTORES)
17. Calcular las componentes x, y, la Resultante y/o el ángulo según sea el caso.
Respuesta. a) x=1.53m, y=1.29m, 0=140º
b) x=2.41m, y=3.19m, 0=53º
c) 0=79º, 0=101º, R=4.6 m
18. Un niño jala un trineo con una cuerda aplicando una fuerza de 60 N. La cuerda forma un ángulo de 40º respecto
al piso. Calcular a) La componente horizontal (Fx) que tiende a poner en movimiento al trineo en dirección
paralela al piso, b) La fuerza que tiende a levantar verticalmente al trineo (Fy).
Respuesta. a) Fx = 46 N
b) Fy = 39 N
19. Un avión viaja en dirección este con una rapidez de crucero de 500 km/h. Si el viento sopla en dirección
sur con una rapidez de 90 km/h, ¿cuál es la rapidez, el ángulo y la dirección del avión Respecto al suelo ?
Respuesta. 508 km/h, 10.2º, al sureste.
20. Partiendo del centro de la ciudad, un auto viaja hacia el oeste hasta recorrer 80 km, a continuación , da
vuelta hacia el sur y recorre 192 km, en donde se le termina la gasolina. Determine el desplazamiento, el
ángulo y la dirección del auto detenido a partir del centro de la ciudad.
Respuesta. 208 km, 67.4º, al suroeste.
(MOVIMIENTO UNIFORME ACELERADO)
21. Una avioneta parte del reposo y alcanza una rapidez de 95 km/h en 7 seg para su despegue. ¿Cuál es su
2
aceleración en m/seg ?
Respuesta. 3.77 m/seg2
22. Una pelota al ser soltada en una pendiente adquiere una aceleración de 6 m/seg2 en 1.2 seg,
a) ¿Cuál es la rapidez final? b) ¿Qué distancia recorrió?
Respuesta. a) 7.2 m/seg
b) 4.32 m
23. Una lancha de motor parte del reposo y alcanza una velocidad final de 60 km/h al Este, en 22 seg.
2
a) ¿Cuál es la aceleración en m/seg ?
b) ¿Cuántos metros y km recorre?
Respuesta. a) 0.76 m/seg2
b) 183.9 m, 0.1839 km
2
24. Un camión de pasajeros arranca desde el reposo, manteniendo una aceleración de 0.6 m/seg .
Respuesta. a) 31.62 seg
b) 19 m/seg, 68.4 km/h
25. Un automóvil lleva una velocidad inicial de 20 km/h al norte y a los 4 seg su velocidad final es de
2
50 km/h. Calcular: a) Su aceleración en m/seg b) El desplazamiento en metros.
2
Respuesta. a) 2.08 m/seg
b) 38.86 m
2
(SEGUNDA LEY DE NEWTON Y PESO DE UN CUERPO)
26. Encuentre el Peso de un cuerpo; si su masa en la Tierra es a) 4 kg b) 300 g
Respuesta. a) 39.24 N b) 2.94 N
27. A un objeto de 30 kg se le aplica una fuerza resultante de 45 N, en un plano horizontal. Calcular la
aceleración del objeto.
2
Respuesta. 1.5 m/seg
28. Una fuerza constante actúa sobre un objeto de 5000 g y aumenta su velocidad de 24 km/h a 36 km/h, en un
tiempo de 0.5 min. Encontrar la fuerza.
Respuesta. 0.55 N
29. Una cuerda de remolque se romperá si la tensión sobre ella excede los 1500 N, si se utiliza para remolcar un
auto de 700 kg a lo largo de un piso nivelado. Cuál es el valor de la aceleración que se aplica al auto con esta
cuerda?
2
Respuesta. 2.14 m/seg
2
30. Calcular la masa de una mujer, cuando se desliza por una cuerda a 6.67 m/seg , si la tensión de dicha
cuerda es de 300 N.
Respuesta. 45 kg
2
31. Una fuerza actúa sobre una masa de 2000 g, acelerándola a 300 cm/seg , a) ¿cuál es la magnitud de la
fuerza ? Qué aceleración produce la misma fuerza sobre una masa de b) 1 kg c) 4000 g.
2
2
Respuesta. a) 6 N, b) 6 m/s , c) 1.5 m/s
FLUIDOS EN REPOSO (HIDROSTATICA).
32. La presión atmosférica tiene un valor aproximado de 100 000 Pascales (Pa). Qué fuerza ejerce el aire
confinado en un cuarto sobre una ventana de 40 cm x 80 cm ?
Respuesta. 32 000 N
3
33. Calcular la presión originada por un fluido en reposo a una profundidad de 76 cm en a) agua (ρ=1000 kg/m )
3
b) mercurio (ρ=13.6 kg/m )
Respuesta. a) 7.5 kPa
b) 100 000 Pa = 1 atm
34. Qué tan alto subirá el agua por la tubería de un edificio si el manómetro que mide la presión del agua indica
3
que esta es de 270 kPa al nivel del piso ? (pH2O=1000 kg/m )
Respuesta. 27.5 m
35. En una prensa hidráulica, el pistón más grande en la sección transversal tiene un área A1=200 cm2, y el
área de la sección transversal del pistón pequeño es A2=5 cm2, si una fuerza de 250 N, es aplicada sobre el
pistón pequeño, ¿cuál es la fuerza F1 en el pistón grande ?
Respuesta. 10 KN
36. De la misma prensa hidráulica: A1= 150 m2, F1= 750 N y F2= 300 N. Calcular A2.
Respuesta. 60 m2
37. Un barril se abrirá cuando en su interior la presión manométrica sea de 350 kPa. En la parte más baja del
barril se conecta un tubo vertical, ambos se llenan de aceite (p=890 kg/m3), ¿qué altura debe tener el tubo
para que el barril no se rompa ?
Respuesta. 40.1 m
3
38. La masa de un bloque de aluminio es de 25 g a) cuál es su volumen ?, b) cuál será la Fuerza Boyante (FB)
en una cuerda que sostiene al bloque cuando este está totalmente sumergido en el agua ? (pAl=2700 kg/m3)
3
(pH2O=1000 kg/m )
Respuesta. a) 0.00000926 m3
b) 0.0908 N
(GASES IDEALES).
3
39. Una masa de oxígeno a 5ºC ocupa 0.02 m a la presión atmosférica que tiene 101 kPa. Determine su
volumen si la presión se incrementa hasta 108 kPa. Mientras su temperatura cambia a 30ºC.
3
Respuesta. 0.0204 m
40. El manómetro de un tanque marca la lectura de la presión interna de 476 cmHg. El gas en el tanque tiene
una temperatura de 9ºC. Si en el depósito la temperatura aumenta a 31ºC, debido a la energía solar. Cuál
es la lectura de la presión en el manómetro ?
Respuesta. 513 cmHg
41.La presión manométrica en la llanta de un auto es de 406 kPa, cuando su temperatura es de 15ºC, Después
de correr a alta velocidad el neumático se calentó y su presión sube a 461 kPa. ¿Cuál es entonces la
Temperatura del gas de la llanta?
Respuesta. 327ºK
42. Un gas ideal tiene un volumen de 1 litro a 1 atmósfera y a -20ºC. ¿A cuántas atmósferas de presión se debe
Someter para comprimirlo hasta 0.5 litros cuando su temperatura es de 40ºC?
Respuesta. 2.47 atm
43. Cierta masa de gas de hidrógeno ocupa 370 ml a 16ºC y 150 kPa. Encuentre su volumen a -21ºC y
420 kPa.
Respuesta. 115 ml
44. Determine el volumen ocupado por 4 g de oxígeno (M=32 kg/kmol) a T.P.E.
3
Respuesta. 0.0028 m
45. Una gota de nitrógeno de 2 mg está presente en un tubo de 30 ml. Cuál será la presión del nitrógeno en Pa
3
y atm en el tubo cuando este se encuentre a 20ºC. (M Nitrógeno=28 kg/kmol) (1 m =1000 litros)
Respuesta. 5800 Pa=0.058 atm
46. Un tanque de 590 litros contiene oxígeno a 20ºC y 5 atm. Calcúlese la masa del gas almacenado en el
3
depósito. (M Oxígeno=32 kg/kmol) (1 m =1000 litros)
Respuesta. 3.9 kg
47. A 18ºC y 765 mmHg, 1.29 litros de un gas ideal "pesan" 2.71 g. Encuentre la masa molecular (M) del gas.
(760 mmHg=100 000 Pa=1 atm)
Respuesta. 50 kg/kmol
3
48. Determínese el volumen en m y litros de 8 g de Helio (M=4 kg/kmol) a 15ºC y 480 mmHg.
(760 mmHg=100 000 Pa=1 atm)
Respuesta. 0.075 m3 = 75 litros
4
UNIDAD III. Interacciones térmicas, procesos termodinámicos y maquinas térmicas.
Propósitos:
Que el alumno sea capaz de calcular la entrada y salida de energía de un sistema, de establecer las condiciones
para la interacción térmica y el aislamiento de los sistemas, de calcular la eficiencia de las máquinas térmicas así
como de valorar el impacto ecológico y social producido por el desarrollo de las máquinas.
Que el alumno explique la transmisión y transformación de la energía mecánica en otras formas y distinga el
calor de la temperatura. Así mismo que explique los fenómenos atmosféricos, en donde el calor juegue un papel
relevante.
Conceptos físicos claves de la Unidad: trabajo, energía potencial, energía cinética, energía interna, calor,
temperatura, dilatación.
ACTIVIDADES DE INTEGRACIÓN
49. Explica el concepto de trabajo mecánico y transferencia y conservación de la energía mecánica.
50. Explica la relación del trabajo con el aumento de temperatura de una masa de agua.
51. Explica otras formas de energía. Energía solar, su medida y su transformación.
52. Explica el concepto de temperatura, calor, energía interna, capacidad calorífica.
53. Explica cada una de las formas de transmisión del calor.
54. Explica el fenómeno de dilatación.
55. Explica lo que le puede pasar a un cuerpo cuando gana calor.
56. Explica el concepto de calor sensible y el calor latente.
57. Explica qué es una máquina térmica.
PROBLEMAS A DESARROLLAR.
TRABAJO, ENERGÍA Y POTENCIA.
58. Un objeto desarrolla un trabajo de 600 Joules, ¿cuál es la fuerza con la que se jala al recorrer 800 cm?
Respuesta. 75 N.
59. ¿Cuál es la energía cinética de un balón de futbol de 460 g, si lleva una velocidad de 1500 cm/s ?
Respuesta. 51.75 J
60. ¿Calcular la masa de un cuerpo cuya velocidad es de 1000 cm/s y su energía cinética , de 1000 J.
Respuesta. 20 Kg.
61. Determinar la velocidad que lleva un cuerpo cuya masa es de 3000 g, si su energía cinética es de 200J.
Respuesta. 11.55 m/s.
62. A qué altura en m y cm se debe encontrar una silla de 5000 g para que tenga una EPG de 90 J ?
Respuesta. 1.84 m, 184 cm.
63. Calcular la masa en kg y g de una piedra, si se eleva a una altura de 200 cm y tiene una EPG de 49 J.
Respuesta. 2.5 Kg, 2500 g.
64. Calcular la potencia en watts y Hp´s, de una grúa que es capaz de levantar 30 bultos de cemento hasta una
altura de 10 m, en 2 segundos, si cada bulto tiene una masa de 50 kg.
Respuesta. 73500 W, 98.52 Hp´s.
65. Calcular el tiempo en seg y min, que requiere el motor de un elevador cuya potencia es de 37500 W, para
elevar una carga de 5290 N hasta una altura de 70 m.
Respuesta. 9.87 seg, 0.16 min.
66. La potencia de un motor eléctrico es de 50 Hp´s. ¿A qué velocidad constante puede elevar una carga de
9800 N?
Respuesta. 3.81 m/s.
5
EJERCICIOS.
TERMOMETRIA.
67.Convertir :
137 ºC a K
-233 K a ºC
-5 ºC a ºF
217 ºF a ºC
-35 ºC a K
180 ºC a K
-350 K a ºC
-205 K a ºC
-53 ºC a ºF
-76 ºC a ºF
88 ºF a ºC
-140 ºF a ºC
PROBLEMAS A DESARROLLAR.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
68.A un sistema formado por un gas encerrado en un cilindro con émbolo, se le suministran 200 calorías y
realiza un trabajo de 300 Joules. Cuál es la variación de la energía interna, en Joules?
Respuesta. 540 J.
69. Cuál será la variación de energía interna en un sistema que recibe 50 calorias y se le aplica un trabajo
de -100 Joules.
Respuesta. 310 J.
70. A un gas encerrado en un cilindro hermético, se le suministran 40 calorias, cuál es la variación de su
energía interna?
Respuesta. 168 J.
71. Sobre un sistema se realiza un trabajo de -100 Joules y éste libera -40 calorías hacia los alrededores.
¿Cuál es la variación de su energía interna?
Respuesta. -68 J.
72. Un sistema al recibir un trabajo de -170 J, sufre una variación en su energía interna igual a 80 J.
Determine la cantidad de calor que se transfiere en el proceso y si el sistema recibe o cede calor.
Respuesta. -90 J, cede calor.
UNIDAD IV. Interacciones eléctricas y magnéticas. Fenómenos luminosos.
Propósitos:
Que el alumno elabore un modelo para la corriente eléctrica y efectúe predicciones sobre el comportamiento de
los diferentes elementos de circuitos resistivos y explique la transmisión y disipación de energía en estos circuitos; así como que visualice distintas configuraciones de campos eléctricos y magnéticos; que interprete, en términos cualitativos, las ecuaciones de Maxwell; comprenda el funcionamiento de motores, generadores y medidores eléctricos; explique la generación de ondas electromagnéticas y describa la dualidad onda-partícula para la
luz.
ACTIVIDADES DE INTEGRACIÓN
73. Explica por qué se puede electrizar un cuerpo.
74. Explica cada una de las formas de electrización de un cuerpo.
75. Enuncia la ley de Coulomb.
76. Explica los siguientes conceptos: voltaje, resistencia, intensidad de corriente, potencia eléctrica, circuito
eléctrico. ¿Cuál es la ley de Ohm?.
77. Qué importancia tiene el uso de fuentes alternas de energía
78. Dibujar los diferentes campos eléctricos.
79. Explicar a qué se debe el Campo magnético terrestre.
6
80. Qué es la inducción electromagnética.
81. Explicar el experimento de Oersted.
82. Explicar el experimento de Faraday
83. Qué es una onda electromagnética.
84. Qué es El efecto fotoeléctrico.
PROBLEMAS A DESARROLLAR.
LEY DE COULOMB.
85. Determinar la fuerza eléctrica entre dos cargas cuyos valores son: q1= -3 µC, q2= 4 µC, al estar separada en
el vacío por una distancia de 50 cm.
Respuesta. -0.432 N.
86. Una carga eléctrica de 2 µC se encuentran en el aire a 60 cm de otra carga. La fuerza con la cual se
-1
rechazan es de 3 x 10 N. ¿Cuánto vale la carga desconocida, en Coulombs y µC ?
-6
Respuesta. 6 x10 C = 6 µC.
87. Determine la distancia en metros y cm, a la que se encuentran dos cargas eléctricas de 7 x 10
-3
rechazarse con un fuerza de 4.41 x 10 N.
Respuesta. 0.1m = 10 cm.
-8
C, al
88. En un átomo de hidrógeno, un electrón gira alrededor de un protón en una órbita de radio igual a
-11
-8
5.3 x 10 m, si la fuerza eléctrica con la que se atraen es de -8.2 x 10 N y la carga del electrón es de
-19
-1.6 x 10 C. Cuál es el valor de la carga del protón?
Respuesta. 1.6 x 10 -19 C.
89. Dos cargas iguales se encuentran en el aire a 20 cm de distancia y se rechazan con una fuerza de
-1
8 x 10 N. ¿Cuánto vale cada carga en Coulombs y µC ?
-6
Respuesta. 1.88 x 10 C = 1.88 µC.
CAMPO ELECTRICO.
90. Una carga de prueba recibe una fuerza de 2 x 10
de 6.66 x 10 2 N/C. ¿Cuál es el valor de la carga?
-7
Respuesta. 3 x 10 C
-4
N, en un punto el que la intensidad de campo eléctrico es
91. Una carga de prueba de 2 µC se sitúa en un punto en el que la intensidad del campo eléctrico tiene un valor
2
de 5 x 10 N/C. ¿Cuál es el valor de la fuerza que actúa sobre ella?
-3
Respuesta. 1x 10 N.
92. Calcular la carga de prueba en Coulombs y µC, en un punto en el que la intensidad del campo eléctrico es de
5
1.44 x 10 N/C, a una distancia de 50 cm.
Respuesta. 4 x 10 -6 C = 4 µC.
93. La intensidad del campo eléctrico producido por una carga de 3 µC en un punto determinado es de
6
6 x 10 N/C, ¿a que distancia en metros y cm, se encuentra la carga?
-2
Respuesta. 6.7 x 10 m = 6.7 cm
LEY DE OHM.
94. Cierta bombilla tiene una resistencia de 42 KΩ cuando se enciende. ¿Cuánta corriente en Ampers y mA fluirá a
través de la bombilla cuando se conecta a 220 volts?
Respuesta. 0.0052 A = 5.2 mA
95. Un calentador eléctrico utiliza 10 mA, cuando es conectado a 120 volts. Determine su resistencia en Ω y kΩ.
Respuesta. 12 000 Ω = 12 kΩ.
7
96. Un foco de 100 W se conecta a un voltaje de 120 V. Determinar: a) la resistencia del filamento en Ω y kΩ, b) la
intensidad de corriente eléctrica en Ampers y mA que circula por él.
Respuesta. a) 144 Ω=0.144 KΩ b) 0.83 A=830 mA
97. Una plancha eléctrica tiene una resistencia de 0.5 KΩ, al conectarse a un voltaje de 120 V. Calcular :
a) la potencia eléctrica y b) la intensidad de corriente en A y mA
Respuesta. a) 28.8 W b) 0.24 A = 240 mA
98. Obtener : a) la potencia eléctrica y b) el voltaje, de un tostador de pan, cuya resistencia es de 40 KΩ y por
la cual circula una corriente de 3 mA.
Respuesta. a) 360 W b) 120 V
99. Calcular : a) la potencia eléctrica y b) el valor de la resistencia, de un foco que recibe un voltaje de 120 V,
si por su filamento circula una corriente de 500 mA.
Respuesta. a) 60 W b) 240 Ω=0.24 kΩ
100. Una lámpara de 245 watts tiene un alambre de 0.007 kΩ . Obtener :
a) La intensidad de la corriente eléctrica que circula por el alambre en Ampers y en mA.
b) El voltaje o ddp.
Respuesta. a) 5.916 Ampers = 5916 mA b) 41.41 Volts
101. Obtener : a) La diferencia de potencial (ddp) o voltaje y b) La intensidad de corriente en Ampers y
mA que circula por un calentador de 155 watts y tiene un conductor de 0.096 kΩ.
Respuesta. a) 121.98 Volts b) 1.27 Ampers = 1270.66 mA
CIRCUITOS SERIE - PARALELO.
102. Del siguiente circuito en serie, calcular la Resistencia total, la Intensidad de Corriente Eléctrica total, y la caída
de tensión en cada resistencia, cuando R1=3 KΩ, R2=900 Ω, R3=7 KΩ, R4=2000 Ω y VT= 60 Volts.
Respuesta. RT = 12900 Ω = 12,9 KΩ. IT = 0,0046 A = 4,6 mA. V1 = 13,95 V. V2 = 4,18 V. V3 = 32,55 V. V4 = 9,3 V.
103. Un circuito eléctrico está formado por tres resistencias de 5 Ω, 10 Ω y 12 Ω, conectadas en paralelo a una fuente
de 12 volts. Calcular la resistencia total y la intensidad de corriente que pasa por el circuito.
Respuesta. 2.608 Ω, 4.6 Amper´s
UNIDAD V. Estructura de la materia.
Propósitos:
Que el alumno adquiera una visión global de la estructura de la materia, tanto en sus aspectos de sustancia como de
carga eléctrica y de radiación, además de entender algunos experimentos cruciales y las principales líneas de pensamiento que sustentan la visión moderna sobre la materia, así como el origen y evolución del universo.
ACTIVIDADES DE INTEGRACIÓN
8
Explicar:
104. Estructura atómica de la sustancia.
105. La evidencia química:
-Teoría atómica de Dalton. Leyes de las proporciones definidas y múltiples.
-Ley de Gay Lussac. Hipótesis de Avogadro. Pesos moleculares.
-Mendeleiev y la tabla periódica.
106. La evidencia física:
-Movimiento browniano.
-Teoría cinética de los gases.
-Ley de electrólisis de Faraday.
-Estructura cristalina. Imágenes de microscopio electrónico.
-Dimensiones moleculares y atómicas.
107. La teoría atómica de la electricidad:
- Tubos de descarga.
- El experimento de Thomson.
- El experimento de Millikan.
108. La teoría atómica de la radiación:
-La radiación electromagnética y la luz.
-La hipótesis cuántica de Planck.
-El efecto fotoeléctrico.
109. Modelos atómicos:
-El descubrimiento de la radiactividad.
-El experimento de Rutherford. Espectroscopia y el modelo atómico de Bohr.
110. Física nuclear:
-Decaimiento radiactivo.
-Detectores de radiactividad.
-Aplicaciones de la radiactividad y la energía nuclear.
-Fisión y fusión nucleares.
111. Partículas elementales y cosmología:
-Las interacciones fundamentales.
-Partículas elementales.
-Origen y evolución del universo.
-Relatividad general.
Bibliografía General
•
Ing Héctor Pérez Montiel. Física General. Ed. Patria . Cuarta Edición. 2010
•
Frederic, Bueche, Hetch, Eugene. Física General . Ed. Mc Graw Hill. 10 Edición.
Entre otros sitios:
http://astroverada.com/_/Main/T_spacetime.html
http://depa.pquim.unam.mx/QI/contenido/per3.htm
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/42/htm/radiacti.htm
http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Universooriegn.htm
En estos sitios se encuentran, programas, enlaces e historia.
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