manual de laboratorio de fisica moderna

MANUAL DE LABORATORIO
DE FISICA MODERNA
GUSTAVO ANTONIO MEJIA CORTES
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA
Y A DISTANCIA (UNAD)
ÍNDICE GENERAL
INTRODUCCION
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1. VIBRACIONES Y ONDAS
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Laboratorio 1: Movimiento Armónico Simple (M.A.S) . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
Laboratorio 2: Movimiento Forzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Laboratorio 3: Ondas Estacionarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2. RELATIVIDAD
7
Laboratorio 4: Interferómetro de Michelson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
3. ESTUDIO DEL MODELO ATOMICO
9
Laboratorio 5: Espectros atómicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Laboratorio 6: Efecto Fotoeléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
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A. Mejía.
INTRODUCCION
Este manual es una ayuda para los estudiantes en la asignatura de Física
Moderna, curso ofrecido por la Universidad Nacional Abierta y a Distancia
(UNAD), a todas las carreras de la Universidad, en especial a las de Ingeniería. Los laboratorios y experimentos que se presentarán pueden ser presenciales, semi-presenciales o demostrativos dependiendo de la modalidad elegida
en cada centro y de los equipos de Laboratorio que se tengan. Solamente se
tendrán seis laboratorios, esta cantidad es mínima pero es la necesaria para abarcar todo el curso. Como la parte practica se encuentra en la etapa de
Transferencia de cada unidad, se agrupan estas practicas en tres capítulos. Por
supuesto, este Manual es susceptible de futuras revisiones y actualizaciones
que dependerán del programa vigente del curso y de las nuevas adquisiciones
en el laboratorio.
De antemano les agradecemos cualquier comentario sobre este manual.
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A. Mejía.
CAPÍTULO 1
VIBRACIONES Y ONDAS
GUIA DE LABORATORIO # 1
Movimiento Armónico Simple (M.A.S)
Objetivos:
1. Explicar los fenómenos necesarios que deben estar presentes en cualquier oscilación armónica.
2. Determinar experimentalmente de que variables depende el periodo de
oscilación de un sistema masa resorte.
Teorı́a:
El marco teórico sobre el movimiento armónico simple se encuentra en el módulo en el capítulo primero, en los temas del 1.3 al 1.5.
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A. Mejía.
Materiales:
1. Carril de aire y sus accesorios.
2. Fotosensores que miden tiempo.
3. Cuerpo de masa variable.
4. Dos resortes lineales.
5. Regla.
6. Balanza.
Procedimiento:
1. Inicialmente se mide la masa del planeador del carril de aire, junto con
todas las demás masas.
2. A cada uno de los lados de dicho planeador se le colocan los resortes
no muy estirados, el otro extremo de los resortes se fijan quietos en el
carril. Se marca la posición de equilibrio, que es aquel punto donde la
sumatoria de fuerzas es cero (∑ ~Fi = 0).
3. Para medir el periodo, en la mayoria de los sensores, se tiene el regimen
pendular, que mide el tiempo cuando el planeador pasa tres veces.
4. Se varía y se mide la amplitud, que es la distancia desde donde se soltará el planeador hasta la posición de equilibrio. Y para cada amplitud
se mide el periodo de oscilación. Se grafica en el eje de las variables
independientes la amplitud y en el eje de la variable dependiente el periodo. A partir de la grafica encuentre la dependencia del periodo con
la amplitud.
5. Repita el proceso anterior pero cambiando la masa del planeador. Determine la relación entre el periodo y la masa. Compare los anteriores
resultados con las predicciones teóricas.
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Movimiento Forzado
GUIA DE LABORATORIO # 2
Movimiento Forzado
Objetivos:
1. Aplicar la teoría de las oscilaciones en el caso del movimiento forzado
con una fuerza impulsora armónica.
2. Definir las variables que caracterizan el movimiento forzado como son:
factor de calidad, factor de amortiguamiento, potencia de entrada y disipada.
3. Identificar el fenómeno de la resonancia.
Teorı́a:
El marco teórico sobre el movimiento forzado se encuentra en el módulo en
el capítulo primero, en los temas 1.6 y 1.7.
Materiales:
1. Generador.
2. Condensadores.
3. Bobinas.
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A. Mejía.
4. Osciloscopio.
5. Conectores.
Procedimiento:
1. El generador debe estar con la función de señal senoidal, una amplitud
de máximo 6 V. La frecuencia debe ser variable.
2. Conecte el condensador, la bobina y el generador en serie. No es necesario resistencia externa, ya que con solo la resistencia de la bobina es
suficiente.
3. Conecte el osciloscopio para medir el potencial en el condensador.
4. Para cada frecuencia, revise la señal en el condensador, verificando la
frecuencia de salida y el potencial en el condensador.
5. Realice la grafica de respuesta a la frecuencia de la carga del condensador contra la frecuencia.
6. Mida la frecuencia donde dicha grafica alcance un máximo y compare
dichos resultados con las predicciones teóricas.
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Ondas Estacionarias
GUIA DE LABORATORIO # 3
Ondas Estacionarias
Objetivos:
1. Analizar las ondas estacionarias o armónicos que se producen en una
cuerda tensa.
2. Medir la posición de los nodos de la cuerda y la frecuencia, para determinar la velocidad de propagación de la onda.
3. Relacionar la tensión de la cuerda con las demás variables.
Teorı́a:
El marco teórico sobre la ecuación de onda y las ondas estacionarias se encuentra en el módulo en el capítulo primero, en los temas 1.9 y 1.10.
Materiales:
1. Generador de movimientos de alta frecuencia.
2. Una cuerda (de densidad lineal de masa conocida).
3. Regla.
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A. Mejía.
4. En lo posible una lampara estroboscópica, para medir la frecuencia.
5. Una polea donde se puedan colocar masas para variar la tensión de la
cuerda, o un equipo similar que haga la misma función.
6. Balanza o dinamómetro.
Procedimiento:
1. Al generador o motor de alta frecuencia se le amarra la cuerda para que
este extremo pueda oscilar. L cuerda se pasa por la polea y el otro extremo se le ata las masas, para medir la tensión de la cuerda (o utilizando
cualquier otro dispositivo que haga la misma función).
2. Cuando empiece el motor a originar el movimiento de la cuerda, se
mide la cantidad de nodos que aparecen y al mismo tiempo se mide la
frecuencia (aqui es donde se puede utilizar la lampara estroboscópica).
3. Midiendo la longitud de la cuerda y el número de nodos, se calcula el
número del armónico.
4. Con los datos anteriores se comparan con las predicciones teóricas para
calcular la velocidad de propagación.
CAPÍTULO 2
RELATIVIDAD
GUIA DE LABORATORIO # 4
Interferómetro de Michelson
Objetivos:
1. Conocer los diferentes tipos de interferómetros.
2. Reconocer la importancia que tiene tanto desde el punto de vista practico como conceptual el experimento de Michelson-Morley.
3. Obtener cuadros de interferencia.
Teorı́a:
El marco teórico sobre el interferómetro de Michelson se encuentra en el módulo en el segundo capítulo, en el tema 2.9.
Materiales:
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A. Mejía.
1. Kit del interferómetro de Michelson.
2. Laser.
3. Calibrador.
Procedimiento:
1. Se mide la longitud de onda del laser que se esta usando. Esto se puede
hacer con una rejilla de difraccion o simplemente revisando las caracteristicas del laser.
2. Se realiza el montaje que se encuentra en el manual del equipo. El cual
puede cambiar dependiendo del fabricante. Se pueden tener diferentes
placas compensadoras, con diferentes indices de refraccion.
3. Se miden las distancias entre los valles en el cuadro de interferencia y
se calcula la diferencia de fase, entre las ondas que interfieren.
CAPÍTULO 3
ESTUDIO DEL MODELO
ATOMICO
GUIA DE LABORATORIO # 5
Espectros atómicos
Objetivos:
1. Hallar experimentalmente las longitudes de onda de diferentes elementos.
2. Comprobar la existencia de espectros discretos de los átomos.
Teorı́a:
El marco teórico sobre los espectros atómicos o se encuentra en el módulo en
el tercer capítulo, en el tema 3.5.
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Materiales:
1. Espectrómetro.
2. Laser.
3. Fuente generadora de tensión.
4. Lamparas espectrales.
Procedimiento:
1. Conecte la lampara espectral de un determinado material a la fuente
de alta tensión, verifique que emita un rayo de luz con un determinado
color.
2. Dirija este rayo de luz a traves del espectrómetro y mire por él. Verifique
que esta onda se halla difractado por la rejilla que tiene el espectrómetro.
3. Determine las lineas espectrales y sus correspondientes valores de la
longitud de onda.
4. Repita todo lo anterior pero con otra lampara espectral.
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Efecto Fotoeléctrico
GUIA DE LABORATORIO # 6
Efecto Fotoeléctrico
Objetivos:
1. Hallar las causas necesarias que producen el efecto fotoeléctrico.
2. Reconocer la importancia de dicho fenómeno tanto práctica como conceptual en el desarrollo de la óptica cuántica.
Teorı́a:
El marco teórico sobre el efecto fotoeléctrico se encuentra en el módulo en el
tercer capítulo, en el tema 3.9.
Materiales:
1. Fuente de alta tensión para la lampara Hg.
2. Lampara de Hg de 50W sin ventana de protección.
3. Electroscopio.
4. Lamina metalica de zinc que pueda colocarse en el electroscopio.
5. Generador electrostatico o barra de ebonita y paño.
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A. Mejía.
6. Placa atenuadora de vidrio o de plexiglass de rayos UV.
Procedimiento:
1. Se carga la placa de zinc ya sea con el generador o con la barra de ebonita, dicha placa se coloca en el electroscopio, el cual detectará dicha
carga, con la deflección de su aguja. Esta aguja permanecerá en su lugar
por un largo lapso de tiempo.
2. La lampara de mercurio se conecta a la fuente.
3. Se coloca entre dicha lampara y la placa de zinc cargada, la pantalla de
vidrio o de plexiglass para filtrar la radiación UV, se verá que la radiación no es lo suficientemente energética para desprender electrones del
material.
4. Si se retira la lamina de plexiglass, para que la placa metalica quede
expuesta completamente a la radiación se notará la forma como se descarga el electroscopio.