parte ii
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PARTE II COMISIÓN CURRICULAR DE FÍSICA I INDICE DE PRÁCTICAS Presentación del manual……………………………………………………………………………………………………….. 1 1. Movimientos Uniformes.…………………………………………………………………………..………………………… 3 2. Aceleración…………………………………………………………………………………..…………………….…………. 12 3. Primera y Segunda Ley de Newton............................................................................................................……….. 4. Fricción…………………………………………………………………………………………………..………….……… 5. Energía potencial y cinética……………………………………………………………………………………..……….. 6. Centro de gravedad ……………………………………………………………………………………………...……….. 7. Proyecto colaborativo…………………………….……………………………………………………………….……… 2 19 26 35 41 48 PRÁCTICA NÚMERO 7: MOVIMIENTOS UNIFORMES Propósito: Determina mediciones de espacios, tiempos, velocidades lineales, angulares, frecuencia, periodo, y representar gráficamente los datos obtenidos, comparándolos con gráficas teóricas. Desempeño a lograr: Interpreta los datos obtenidos en la práctica relacionándolos con el movimiento rectilíneo uniforme y con el movimiento circular uniforme, identificando las principales características cinéticas de los mismos. Antecedentes Cinemática es una parte de la mecánica que se encarga de estudiar única y exclusivamente el movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo originan. Cabe mencionar que la palabra “Cinema” significa movimiento. Movimiento es aquél fenómeno físico que consiste en el cambio de posición que realiza un cuerpo (móvil) en cada instante con respecto a un sistema de referencia, el cual se considera fijo. Se afirma también que un cuerpo está en movimiento con respecto a un sistema de coordenadas rectangulares elegido como fijo, cuando sus coordenadas varían a medida que transcurre el tiempo. Movimiento: Un cuerpo tiene movimiento si cambia de posición a través del tiempo. Rectilíneo: Un movimiento tiene una trayectoria rectilínea si se mueve a lo largo de una línea recta. Uniforme: Se refiere a que el cuerpo que se mueve avanza, o retrocede, la misma distancia en cada unidad de tiempo. También se puede decir que se refiere a que el cuerpo que se mueve lo hace con velocidad constante. Trayectoria: forma que tiene el camino por donde se mueve un objeto. La más simple es la rectilínea (camino recto). 3 Por lo tanto, en esta práctica se aprenderá a describir el movimiento que tiene un cuerpo que se desplaza a través de una línea recta con velocidad constante. Otro tipo de movimiento bidimensional es el que se da al momento en que un móvil recorre una trayectoria circular, también son movimientos circulares la rotación y la traslación de los cuerpos. La experiencia nos dice que todo aquello da vueltas tiene movimiento circular. Si lo que gira da siempre el mismo número de vueltas por segundo, decimos que posee movimiento circular uniforme (MCU). Un ejemplo muy común de movimiento circular son las revoluciones que da una lavadora en un determinado tiempo. Una lavadora comercial gira a 65 revoluciones por minuto (rpm). Materiales y recursos Cinta métrica Bicicleta de radio grande y de radio pequeño, patines y/o patineta. Cronómetro Diseño experimental Actividad A: Movimiento Rectilíneo Uniforme 1. Forma grupos de tres alumnos. 2. En una cancha deportiva o explanada mide el perímetro y coloca una señal cada 2 metros. 3. Con ayuda del cronómetro mide el tiempo que tarda uno de los componentes de cada grupo en recorrer cada 2 metros y el recorrido total del perímetro a paso normal, realizar la prueba dos o tres veces para obtener el promedio, procurando recorrer distancias iguales en tiempos iguales. 4 4. Llena la siguiente tabla de valores con los datos obtenidos: 5. Realiza la misma experiencia de antes, pero esta vez caminando lo más rápido posible, para determinar la velocidad máxima. 6. Calcular las velocidades obtenidas, realizar una gráfica en papel milimetrado con los resultados obtenidos y comentar las conclusiones. 5 Actividad B: Movimiento Circular Uniforme 1. Realiza una marca en una de las ruedas de la bicicleta y patineta ( o patín) con cinta adhesiva. Asegúrate que las llantas marcadas tengan un radio de magnitud diferente. 2. En un recorrido rectilíneo medido previamente de 10 metros, se lleva la bicicleta a velocidad constante, primero un poco lento y en el segundo recorrido, más rápido. 3. Determina el tiempo en ambos recorridos y el número de vueltas de la rueda. Se puede repetir el recorrido dos veces para obtener una media, es recomendable realizar las mediciones con ambos tipos de ruedas de bicicleta o patineta y anota los datos en la siguiente tabla: Valorando tu aprendizaje 1. ¿Qué es el Movimiento Rectilíneo Uniforme? _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 6 2. ¿Cuáles son los factores que tuviste que controlar para lograr recorrer distancias iguales en tiempos iguales? _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 3. ¿Qué forma geométrica presentaron tus gráficos? ¿A qué se debe dicho resultado? _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 4. ¿Qué características presenta el Movimiento Circular Uniforme? _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 5. Anota las principales diferencias, que encontraste en los parámetros obtenidos en el Movimiento Circular Uniforme de las llantas con diferentes magnitudes en sus radios. _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 7 6. Resuelve los siguientes problemas: 8 Problema 1 Una ardilla es capaz de moverse a 19 km/h al sentirse amenazada; si corre durante 3.5 min, determina la distancia en metros que recorrió. 9 Reflexión argumentada: _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 10 _________________________________ Firma del estudiante ____________________________ Firma del profesor titular FECHA DE REALIZACIÓN:__________________ _________________________ Firma del profesor del laboratorio CALIFICACIÓN: _________________________ 11 PRÁCTICA NÚMERO 8: ACELERACIÓN Propósito: Investigar la relación entre la distancia y el tiempo, en el caso de una esfera que desciende rodando por un plano inclinado. Desempeño a lograr: Analiza los parámetros relacionados con el incremento de la velocidad en diferentes pendientes y su relación con la fuerza gravitatoria. Materiales y recursos Rampa de 2 m Esfera de acero o canica Bloque de madera cronómetro Cinta adhesiva Regla de 1 m Transportador Hojas de acetato Antecedentes La palabra aceleración está presente en muchas situaciones de nuestra vida diaria, tanto es así que incluso uno de los pedales en el automóvil se llama “acelerador”. Siempre se utiliza asociada a un movimiento. Sin embargo, el significado que se le da habitualmente no corresponde exactamente al significado que se le da en Física. La aceleración mide directamente la rapidez con la que cambia la velocidad. Si un vehículo se desplaza por una carretera, su velocidad varía muchas veces 12 durante el viaje; estos cambios en la velocidad se deben porque es imposible mantener una velocidad constante durante un trayecto ya que pueden ocurrir situaciones que obliguen al conductor a aumentar la misma o a disminuirla. Por ejemplo, puede que el conductor deba frenar bruscamente en una situación de emergencia o bien puede que necesite aumentar la velocidad para adelantar a otro vehículo. En cualquiera de las dos situaciones, hay un cambio de velocidad. Esta variación de la velocidad es medida mediante la aceleración. La aceleración es un concepto que describe cambios de velocidad. Mide la variación de la velocidad en el tiempo. Se define la aceleración media como la relación entre la variación o cambio de velocidad de un móvil y el tiempo empleado en dicho cambio: Donde a es aceleración, y v la velocidad final en el instante t, v0 la velocidad inicial en el instante t0. La aceleración instantánea, que para trayectorias curvas se toma como un vector, es la derivada de la velocidad (instantánea) respecto del tiempo en un instante dado (en dos instantes cercanos pero diferentes el valor puede cambiar mucho): Es difícil medir el movimiento de un objeto en caída libre porque su rapidez aumenta con mucha celeridad. De hecho, ésta se incrementa casi 10 m/s. La distancia que recorre el objeto al caer aun durante un tiempo corto es muy grande. Galileo retardó dicho movimiento por medio de planos inclinados. La componente de la gravedad que actúa verticalmente hacia abajo, por lo cual el cambio de rapidez se vuelve más lento y su medición se simplifica. 13 Procedimiento Actividad A 1. Coloca una rampa con un ángulo de inclinación de 10° aproximadamente con respecto a la horizontal, como muestra la siguiente figura: 2. Divide la longitud de la rampa en 6 partes iguales y marca las 6 posiciones sobre la tabla con trozos de cinta adhesiva. Esas posiciones serán tus puntos de partida. Supón que tu rampa tiene 200 cm de longitud, divide esta longitud entre 6 y obtendrás 33.33 cm por sección, por lo tanto tendrás tus puntos de partida cada 33.33 cm. Coloca un bloque de madera al final de la rampa para que puedas oír cuando la esfera llega hasta abajo. 3. Usa un cronómetro para medir el tiempo que tarda en rodar por la rampa hasta abajo, desde cada uno de los 6 puntos. Realiza previamente varios ensayos hasta que logres minimizar el error, posteriormente haz por lo menos 3 mediciones de tiempo por cada posición, y anota cada uno de los tiempos y el promedio de los tres en la tabla de datos A. 4. Traza un gráfico de tus datos, marcando la distancia (eje vertical) contra el tiempo promedio (eje horizontal) en una hoja de acetato. En los ejes de coordenadas, usa las mismas escalas que los demás equipos de laboratorio, para que puedas comparar resultados. 14 Tabla de datos A Tiempo (s) Distancia (cm) Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Promedio 5. Repite los pasos 2 a 4, pero con el plano más empinado unos (5° más). Registra tus observaciones en la tabla de datos B. Traza la gráfica de tus datos como en el paso 4. Tabla de datos B Tiempo (s) Distancia (cm) Prueba 1 Prueba 2 15 Prueba 3 Promedio Actividad B 1. Con dos hojas de cuaderno a una misma altura déjalas caer y observa ¿cómo llegan al suelo? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ 2. Amasa una de las hojas. Hasta que se forme bola, déjelas caer nuevamente ¿Qué sucede? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ 3. Ahora deja caer simultáneamente y de la misma altura, un libro pesado o cuaderno y una hoja de papel. ¿Cuál llegará primero al suelo? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ 4. Coloca ahora la hoja de papel sobre el libro, suelta el libro y observa la caída ¿Explica que sucede y por qué no sucede lo mismo cuando caen por separado? __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ 16 Valorando tu aprendizaje 1. ¿Qué es la aceleración? _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 2. ¿La esfera se acelera al rodar por la rampa? Menciona pruebas para documentar tu respuesta. _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 3. ¿Qué pasa con la aceleración cuando aumenta el ángulo de la rampa? _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 4. ¿Cuál es el valor de la aceleración de los cuerpos en caída libre? Fundamenta tu respuesta. _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 17 Reflexión argumentada: _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _________________________________ Firma del estudiante ____________________________ Firma del profesor titular _________________________ Firma del profesor del laboratorio FECHA DE REALIZACIÓN:__________________ CALIFICACIÓN: _________________________ Manual de laboratorio de Física Hewitt- Robinson Pearson. Addison Wesley 18 PRÁCTICA NÚMERO 9: PRIMERA Y SEGUNDA LEY DE NEWTON Propósito: El alumno comprende las aplicaciones relacionadas con la primera y segunda leyes del movimiento de Newton. Desempeño a lograr: Estimula el desarrollo de habilidades mediante ejemplos concretos de la comprensión de fenómenos relacionados con el movimiento de los cuerpos y la inercia; así como la interpretación del término de fuerza aplicada a los mismos. Antecedentes Se denomina Leyes de Newton a tres leyes concernientes al movimiento de los cuerpos. La formulación matemática fue publicada por Isaac Newton en 1687 en su obra Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. 1ª Ley de Newton o ley de la inercia: Un cuerpo permanecerá en un estado de reposo o de movimiento uniforme, a menos de que una fuerza externa actúe sobre él. La primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero). Como sabemos, el movimiento es relativo, es decir, depende de cual sea el observador Ejemplar de Newton de la primera edición, con correcciones manuscritas del propio autor. que describa el movimiento. 2ª Ley de Newton o ley de la fuerza: Siempre que una fuerza actúe sobre un cuerpo produce una aceleración en la dirección de la fuerza que es directamente proporcional a la fuerza pero inversamente proporcional a la masa. La ley nos dice que para que un cuerpo altere su movimiento es necesario que exista algo que 19 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. 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, La expresión de la Segunda ley de Newton que hemos dado es válida para cuerpos cuya masa sea constante. 20 Materiales y recursos: Un vaso de precipitado o un recipiente con la base superior abierta de similares características. Agua Un huevo o una pelota de golf Cartulina del tamaño adecuado para tapar la cobertura del Tubo o canuto de cartón, un trozo de palo de bandera, o bien una sección de pequeña tubería Diseño experimental Una vez recopilados los materiales, el montaje experimental es muy sencillo: 1. Llena el vaso de agua hasta un poco más de la mitad. 2. Coloca el vaso sobre una superficie horizontal firme, tal como una mesa. Ten en cuenta que la mesa podría mojarse o, si algo sale mal, incluso el huevo romperse en ella, por lo que es aconsejable utilizar algún mantel protector. 3. Tapa el vaso colocando sobre él la cartulina. Procura centrarla lo más posible para maximizar la estabilidad. 4. Coloca el canuto sobre la cartulina en posición vertical. Debe estar completamente centrado sobre el vaso; conviene comprobarlo mirando desde dos ángulos diferentes. 5. Con cuidado, coloca el huevo sobre el canuto. Retira los dedos lentamente, asegurándote que permanece en equilibrio. 6. Una vez montado el experimento, el procedimiento es muy sencillo: simplemente empujar la cartulina vigorosamente con la mano. Se debe dar un golpe seco completamente horizontal. 7. La situación justo después del golpe se muestra en la siguiente figura. 21 Valorando tu aprendizaje Escribe dos ejemplos donde intervengan la 1ª y la 2ª leyes de Newton explicando claramente su participación. A) __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ B) __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Investiga y con tus palabras explica el concepto y las características de los sistemas de referencia inerciales _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ De acuerdo a la actividad experimental en que parte de la práctica se aprecian cabalmente la aplicación de la 1ª ley de la inercia y la 2ª ley de Newton. Explica. _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 22 Describe brevemente en media cuartilla la temática que aborda el libro denominado Philosophiae Naturalis Principia Mathematica y la importancia del mismo: _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 23 Resuelva los siguientes ejercicios relacionados con las leyes de Newton Un cohete de juguete de 0.500 kg puede generar un empuje de 15 N durante los primeros tres segundos de su vuelo, en que tarda en consumir su combustible ¿cuál es la máxima altura que puede alcanzar el cohete? (suponga que la masa del cohete no cambia, y que la fricción con el aire es despreciable) a)135m B) 187m C) 278m D) 91m E) 369m ¿Cuál es la aceleración de un bloque de cemento de 40 kg que se encuentra sobre una superficie sin roce, al tirar de el lateralmente con una fuerza neta de 200 N ? Un bombero de 80 kg de masa se desliza por un poste vertical con una aceleración de 4 m/s2. ¿Cuál es la fuerza de fricción entre el poste y el bombero? Reflexión argumentada: _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 24 ____________________________ Firma del profesor titular _________________________________ Firma del estudiante _________________________ Firma del profesor del laboratorio FECHA DE REALIZACIÓN:__________________ CALIFICACIÓN: _________________________ 100 experimentos sencillos de Física y Química http://www.monografias.com/trabajos30/leyes-newton/leyes-newton.shtml http://bibliotecadeinvestigaciones.files.wordpress.com/2011/03/ley-de-inercia.png 25 PRÁCTICA NÚMERO 10: FRICCIÓN Propósito: El alumno debe identificar y determinar las tres fuerzas de fricción así como determinar el coeficiente de esta reconociendo de esta forma la importancia de la aplicación de esta fuerza en todo movimiento relacionándolo con su entorno. Desempeño a lograr: Contrasta los resultados obtenidos en el experimento y calcula diferentes tipos de fricción. Ideas Previas: ¿por qué los cuerpos se resisten al movimiento? ¿a qué se debe que puedas resbalar fácilmente en un piso encerado? Antecedentes La fuerza de fricción se da a partir del contacto entre dos cuerpos. En realidad, éste efecto siempre está presente en el movimiento de un cuerpo debido a que siempre se desplaza haciendo contacto con otro (el aire en la mayoría de los casos); en algunos casos, éste efecto es muy pequeño y es una buena aproximación despreciar su valor, pero en otros, es necesario tomar en cuenta ésta fuerza, debido a que determina el valor del movimiento. La fuerza de fricción se caracteriza porque: Actúa siempre en sentido opuesto al movimiento o a la fuerza que intenta producir el movimiento Es independiente del área de contacto de los dos cuerpos o medios en contacto Es proporcional a la fuerza normal ( en superficies horizontales). Es independiente de la rapidez del deslizamiento entre los cuerpos. Los tipos de Fricción que existen son los siguientes: 26 Fricción estática (fs): Este tipo de fricción evita el movimiento entre superficies secas y limpias (no lubricadas) de sólidos en contacto. Para deslizar cualquier objeto sobre una superficie, antes debe vencerse a la fuerza de fricción estática (f s). Fuerza de fricción dinámica o cinética (fd): Esta fuerza aparece una vez que se ha vencido a la fricción estática y se ha iniciado el movimiento. En general, es menor que la fuerza estática máxima. Es por esto que se requiere menos esfuerzo para seguir moviendo un cuerpo en movimiento, que para empezar a moverlo. Cuando no se está aplicando fuerza sobre algún cuerpo, la fricción estática es cero, pero cuando se le imprime una fuerza para moverlo la f s empieza a aumentar hasta que esta es vencida y por lo tanto inicia el movimiento o sea la fd. Fuerza de fricción por rodamiento (fr): Esta fuerza se presenta cuando un cuerpo cilíndrico o una esfera se mueven a lo largo de una superficie plana o cuando dos cuerpos cilíndricos en contacto se mueven uno con respeto al otro. Esta es me nos que la dinámica. El coeficiente de rozamiento o coeficiente de fricción expresa la oposición al movimiento que ofrecen las superficies de dos cuerpos en contacto. Es un coeficiente adimensional y usualmente se representa con la letra griega μ y fn es la fuerza normal fs= µfn El valor del coeficiente de rozamiento es característico de cada par de materiales en contacto; no es una propiedad intrínseca de un material. Depende además de muchos factores como la temperatura, el acabado de las superficies, la velocidad relativa entre las superficies, etc. La naturaleza de este tipo de fuerza está ligada a las interacciones de las partículas microscópicas de las dos superficies implicadas. Materiales y recursos: 27 Pabilo Peso Un carrito Vaso de plástico Soporte universal Tabla de madera (10 x 30 cm aprox.) Bureta de 25 ml Balanza granataria Plastilina Diseño experimental Fricción estática 1. Mide y registra las masas del vaso y la madera con la balanza granataria. Figura 1 Además prepara el carrito con una pesa cuya masa sea la misma que el de la madera. (puedes usar plastilina para igualar las masas). Nota: Masa de madera = Masa del carrito + pesa. 2. Monta el siguiente sistema de acuerdo a la figura 1 usando el material que se indica. 3. Llena la bureta con agua, y controla el goteo con la llave de paso dejando caer gota a gota , hasta que la madera de un indicio de movimiento, que es cuando se va a detener el goteo. (Hacerlo tres veces). NOTA: Con ayuda de la bureta medir el volumen aproximado ya que la fricción estática se va a medir a partir de que se inicie el movimiento. 4. Con el promedio de las lecturas de los volúmenes de la bureta que se gastaron para mover la madera y con las masas del vaso y la madera se determina la fuerza de fricción estática. 28 5. Ya tomada la lectura se agregan una, dos o tres gotas más hasta que la madera se deslice al menos 5 cm. (Hacerlo tres veces). NOTA: Con ayuda de la bureta medir el volumen aproximado de una gota, ya que la fricción estática se va a medir una gota antes de que inicie el movimiento y la dinámica se va a empezar a medir una después. Fricción de rodamiento 1. Mide y registra las masas del vaso y el carrito con la pesa usando la balanza granataria, procurando que la suma de ambos sean el mismo que el de la madera del anterior sistema.(puedes usar plastilina para ajustar los valores de las masas). 2. Monta el siguiente sistema de acuerdo a la figura 2, usando el material que se indica. 3. Llena la bureta con agua, y controla el goteo con la llave de paso dejando caer gota a gota sobre el vaso hasta que el carrito con la pesa de un indicio de movimiento, que es cuando se va a detener el goteo. (Hacerlo tres veces). 4. Con el promedio de las lecturas de los volúmenes de la bureta que se gastaron para mover el carrito con su pesa, se determina la fuerza de fricción de rodamiento. 29 Figura 2 Fricción de rodamiento dinámica 1. Monta el siguiente sistema de acuerdo a la figura 3, usando el material que se indica. Empleando una rampa de 15 a 20° de inclinación y una longitud de recorrido horizontal entre la base de la rampa y el borde de la mesa de 1.50 metros. 2. Coloca el carro al inicio de la rampa como se muestra en la figura 3, suéltalo y observa si este avanza o se detiene. Si avanza más de 20 Figura 3 cm reduce la inclinación, de lo contrario inicia con el siguiente paso. 3. Coloca en el vaso el volumen de agua correspondiente a la fricción de rodamiento; (quitale 5 ml aproximadamente al volumen obtenido en el 1.5 m. proceso anterior), y observa si al soltar el carro, éste se detiene o se mueve; si se detiene agrégale de uno en uno más mililitros hastta que avance cuando menos 50 cm. Hacerlo tres veces para registrar el promedio del volumen final. (debe ser menor al usado para la fricción de rodamiento estático). Cálculos De acuerdo a la figura 1 determinar los siguientes datos llenando las tablas correspondientes. Para determinar la fuerza estática y su coeficiente de fricción se considera: Fuerza normal (fn) = (masa de la madera por la gravedad). Fuerza estática (fs) = (Volumen gastado antes del movimiento por la gravedad). Coeficiente de fricción (µ) = fs / fn 30 Volumen antes del Movimiento Fuerza estática (fs) Coeficiente de Fricción estática De acuerdo a la figura 2 determinar los siguientes datos llenando las tablas correspondientes. Para determinar la fuerza de rodamiento y su coeficiente de fricción Fuerza normal (fn) = (masa del carrito más la masa de la pesa por la gravedad). Fuerza estática (fs) = (Volumen gastado antes del movimiento por la gravedad). Coeficiente de fricción (µ) = fs / fn Volumen antes del Movimiento Fuerza estática (fs) Coeficiente de fricción Estática De acuerdo a la figura 3 determinar los siguientes datos llenando las tablas correspondientes. Para determinar la fuerza de rodamiento dinámico y su coeficiente de fricción. Para determinar la fuerza de rodamiento y su coeficiente de fricción Fuerza normal (fn) = (masa del carrito más la masa de la pesa por la gravedad). Fuerza rodamiento (fr) = (Volumen gastado después de que el objeto se movió al menos 50 cm . Coeficiente de fricción (µ) = fr / fn 31 Para determinar la fuerza de rodamiento y su coeficiente de fricción Fuerza normal (fn) = (masa del carrito por la gravedad). Fuerza rodamiento (fr) = (Volumen gastado después de que el objeto se movió al menos 50 cm . Coeficiente de fricción (µ) = fr / fn Volumen después de que el objeto se movió al menos 50 cm. Fuerza rodamiento (fr) Coeficiente de fricción rodamiento Valora tu aprendizaje 1. Explica ¿qué detiene a un objeto que se encuentra en movimiento? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ 2. ¿Cuáles son los tipos de fricción que hay y en qué se diferencian? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ 32 1. Explica lo que sucedería si fueras en una bicicleta, con un pedaleo uniforme, y dejas de pedalear, ¿qué ocurrirá con el movimiento si estás en un terreno plano?, ¿si estás subiendo?, ¿si estás bajando? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ 4.Explica tres ejemplos en donde se observe la fricción: estática, dinámica y de rodamiento. __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ 5. ¿De qué manera se disminuye la fricción en algunos aparatos usados en la vida diaria? Explica. __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ 6. ¿Habrá fricción en el espacio exterior? Explica tus razones. __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Reflexión argumentada _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 33 _________________________________ Firma del estudiante ____________________________ Firma del profesor titular FECHA DE REALIZACIÓN:__________________ _________________________ Firma del profesor del laboratorio CALIFICACIÓN: _________________________ Bibliografía Física 1. Enfoque por competencias Carlos Gutiérrez Aranzeta Mc. Graw Hill Manual de laboratorio de Física Hewitt- Robinson Pearson. Addison Wesley Física 1. Bachillerato General Agustín Vázquez Sánchez Pearson. Prentice Hall. http://www.aulafacil.com/curso-fisica-movimiento/curso/Lecc-26.htm 34 PRÁCTICA NÚMERO 11: ENERGÍA POTENCIAL Y ENERGÍA CINÉTICA Propósito: Analiza los tipos de energía que se producen en el lanzamiento de una flecha con su respectivo arco tensionado y calcula además: el trabajo, la gravitacional y la energía cinética energía potencial. Desempeño a lograr: reflexiona sobre las conversiones de energía que se verifican durante el experimento y además realiza los cálculos de trabajo, energía cinética y potencial Ideas previas: ¿Qué entiendes por trabajo? Y ¿cómo lo puedes calcular? ¿Cuántos joules de energía crees que apliques tensar el elástico de un arco? ¿Cómo puedes calcular la energía cinética de un objeto que se mueve? Antecedentes: La conversión de la energía potencial a cinética y viceversa puede observarse al lanzar una flecha con un arco. La energía cinética de una flecha se obtiene de la energía potencial del arco tensado, la cual, a su vez, proviene del trabajo realizado por el arquero al tensar el arco. Este trabajo es igual a la fuerza promedio que actúa sobre la cuerda del arco, multiplicada por la distancia del movimiento realizado al tensarlo. En este experimento comprobaremos la conservación de la energía, ya que el trabajo es una energía, la cual se convierte en energía potencial cuando queda el arco estirado, y a su vez esa energía se transforma en energía cinética al soltar la flecha con el arco tensionado. 35 Materiales y recursos: Dinamómetro de 500g Arco con flecha (de juguete que funcione) o una tabla de madera de aproximadamente 30X15 cm con dos clavos y una liga (ver figura en práctica) Hojas de papel milimétrico Regla o cinta métrica Pinzas para fijar el arco, o pabilo para amarrarlo. Balanza granataria Diseño experimental 1. Fija el arco de su parte central sobre la mesa, y marca la posición de la cuerda (liga) sobre la superficie de la mesa. 2. Jala de manera horizontal con un dinamómetro la cuerda, y mide la fuerza ejercida y la distancia recorrida desde la posición inicial a la final. Trata de tensar la cuerda con incrementos de 1 cm hasta llegar al menos a los 10 cm. 36 3. En la siguiente tabla donde anota tus resultados. Distancia en cm Distancia en m Fuerza (g-fuerza) 37 Fuerza (Newtons) 4. Traza una gráfica de distancia en metros(eje horizontal) contra fuerza en Newtons. (eje vertical). 5. Calcula el área bajo la gráfica elaborada. Debido a que la distancia está en metros y la fuerza en Newtons, las unidades del área serán Nm=Joule que es una unidad de energía (en este caso trabajo). El área representa la energía total transferida al arco. Cuando se tensa el arco esa energía adopta la forma de energía potencial elástica. 6. Mide la masa de la flecha utilizada en el arco, y lanza la flecha hacia arriba (tiro vertical). Si te es posible mide aproximadamente la altura a la que subió la flecha, y si no calcúlala con el tiempo que tarda la flecha en caer desde su máxima altura hasta la posición de lanzamiento. 7. Realiza los cálculos para determinar la energía potencial que alcanza la flecha a su máxima altura, y calcula también la energía cinética con la que regresa la flecha a su punto de lanzamiento. Valora tu aprendizaje 1. Anota dos ejemplos o dispositivos donde se transforme la energía potencial en cinética o viceversa ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ 2. ¿Con qué rapidez promedio lanza el arco la flecha? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ 3. ¿Qué dice la ley de la conservación de la energía? 38 ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ 4. ¿Por qué los resultados obtenidos no son muy confiables? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ 5.- ¿Qué tipo de errores crees que se generaron al realizar la parte experimental y los cálculos? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ Reflexión argumentada _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 39 _________________________________ Firma del estudiante FECHA DE REALIZACIÓN:__________________ ____________________________ Firma del profesor titular CALIFICACIÓN: _________________________ _________________________ Firma del profesor del laboratorio Bibliografía Hewitt, P., y Robinson, P. (1998). Manual de laboratorio de Fisica,25 México Addison Wesley Longman, Pearson, páginas 85-87. 40 PRÁCTICA NÚMERO 12: CENTRO DE GRAVEDAD Propósito: Encontrar el centro de gravedad de una figura hecha en papel, y demostrar que es lo que se necesita para que un cuerpo tenga equilibrio con respecto al mismo. Desempeño a lograr: Identifica la relación que se va someter a prueba. Explica el comportamiento de un sistema mediante principios científicos. Ideas previas: ¿De qué manera tienes que acomodar un ladrillo para que no se caiga fácilmente, horizontal o vertical?¿por qué? ¿Qué es el centro de gravedad de un objeto? ¿Para qué crees que sirva conocer el centro de gravedad de un objeto? ¿Cómo puedo encontrar el centro de gravedad de un objeto? ¿Por qué la torre de Pisa no se cae? Explica. Antecedentes Debido a que un cuerpo es una distribución continua de masa, en cada una de sus partes actúa la fuerza de gravedad. El centro de gravedad o centroide es la posición donde se puede considerar actuando la fuerza de gravedad neta, es el punto ubicado en la posición promedio donde se concentra el peso total del cuerpo. Para un objeto simétrico homogéneo, el centro de gravedad se encuentra en el centro geométrico, pero no para un objeto irregular. El centro de gravedad de un cuerpo es el punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas que la gravedad ejerce sobre los diferentes puntos materiales que constituyen el cuerpo. Un objeto está en equilibrio estable mientras su centro de gravedad quede 41 arriba y dentro de su base original de apoyo. Cuando éste es el caso, siempre habrá un torque de restauración. No obstante, cuando el centro de gravedad cae fuera del centro de apoyo, el torque de restauración pasa sobre el cuerpo, debido a un torque gravitacional que lo hace rotar fuera de su posición de equilibrio. Los cuerpos rígidos con bases amplias y centros de gravedad bajos son, por consiguiente, más estables y menos propensos a voltearse. Esta relación es evidente en el diseño de los automóviles de carrera de alta velocidad, que tienen neumáticos anchos y centros de gravedad cercanos al suelo. También la posición del centro de gravedad del cuerpo humano tiene efectos sobre ciertas capacidades físicas En otras palabras el centro de gravedad es: Es el centro de simetría de masas Es el punto donde se considera concentrada la masa del cuerpo En el hombre está alrededor del 60 % de la altura, en posición anatómica, y va variando cuando realizamos un movimiento a partir de dicha posición El centro de gravedad en el hombre ,en posición anatómica, cae entre los 2 pies, en la parte anterior de estos, por esa razón el cuerpo tiende a irse hacia adelante,y para que el cuerpo no se caiga, los músculos gemelos y los espinales se contraen isométricamente, por esta razón a estos músculos se los denomina "antigravitatorios" 42 Materiales y recursos: Cartulina (o carpetas de papel recicladas) Tijeras Clip o alfiler Pinzas de bureta o algo para sujetar el clip Soporte Universal Bloques de metal, madera o de algún otro material todos iguales Una regla o una barra de madera que de soporte a los bloques Pabilo Una masa de 20 gramos o una canica Cinta adhesiva Transportador Diseño experimental A. Encontrando el centro de gravedad 1. Dibujar y recortar en la cartulina lo siguiente: un triángulo, un cuadrado, un aro de 10 cm de diámetro exterior y 4 cm de diámetro interior, una figura geométrica regular, una figura irregular. 2. Doblar el clip dejando una punta para poder ensartar y colgar el papel. 3. Sujetar el clip con las pinzas del soporte universal. 4. Ensartar una de las figuras cerca de un extremo de ésta, de tal manera que pueda moverse libremente. 5. Amarrar en el clip donde se ensartó la figura, un pabilo con una canica o una masa pequeña. 6. Trazar una línea por donde pasa el pabilo sobre la figura de papel. 7. Repetir el procedimiento de los pasos 4 al 6 al menos unas tres o cuatro veces sobre la misma figura. 43 8. El punto donde se cruzan las líneas es la ubicación del centro de gravedad. Para comprobarlo, puedes colocar la punta de lápiz sobre este punto y la figura se debe equilibrar. Valorando tu aprendizaje 1. ¿Qué pudiste observar al encontrar el centro de gravedad de una figura regular? _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 2. ¿En donde estuvo el centro de gravedad del aro? _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 3. ¿Cuántos centros de gravedad tienen los cuerpos macizos? _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ B. ¿En qué momento se cae? 1. Pega la mitad de un pedazo de cinta adhesiva en el bloque, y la otra mitad pégala sobre la regla de tal manera que la cinta quede doblada bajo el bloque, coloca otro pedazo en el lado contiguo del bloque la regla, de tal manera que el bloque se pueda mover sobre la regla si se aumenta la inclinación, pero sin salirse de la regla. 2. Coloca con cinta, justo a la mitad del bloque que se ve de forma lateral, un pedazo de pabilo con una pequeña masa colgando. 3. Inclina la regla junto con el bloque y observa el pabilo cómo se mueve e identifica el momento en el que el bloque se voltea, mide el ángulo al que se encuentra la regla con respecto a la horizontal. 44 4. Coloca pegado con cinta otro bloque sobre el primero, y mueve el pabilo colgado hacia la mitad de la altura total de los bloques. Vuelve a inclinar la regla y nuevamente observa el momento en el que la torre de bloques se voltea, y anota tus observaciones. 5. Repite el procedimiento anterior colocando un tercer bloque para hacer una torre más alta, y nuevamente mueve el pabilo para quedar a la mitad de la torre de bloques. Vuelve a inclinar la regla, mide el ángulo y observa el momento en que la torre se voltea. 45 Valora tu aprendizaje 1. ¿En qué punto o lugar se localizaría el centro de gravedad de uno de los bloques? _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 2. ¿Cambiará el centro de gravedad de dos o tres bloques pegados?¿en donde quedaría su centro de gravedad? _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 3. Anota tus observaciones sobre la caída de la torre _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________ Reflexión argumentada _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________ 46 _________________________________ Firma del estudiante ____________________________ Firma del profesor titular FECHA DE REALIZACIÓN:__________________ _________________________ Firma del profesor del laboratorio CALIFICACIÓN: _________________________ Bibliografía http://es.scribd.com/doc/7016198/Centro-de-Gravedad 47 PROYECTO COLABORATIVO: PROTOTIPO DIDÁCTICO Duración: 3 sesiones Propósito: El alumno analiza y construye un prototipo que demuestre un principio o ley física Desempeño a lograr: demostrar mediante el funcionamiento del aparato construido la aplicación de los conocimientos adquiridos durante el curso de Física I. Ideas previas: ¿qué vamos a hacer? ¿qué temática abordar? ¿para qué sirve? ¿cómo lo construimos? Antecedentes Por prototipo didáctico, se entiende un primer modelo o ejemplar original, fabricado o inventado con el propósito de ser utilizado específicamente en el proceso de enseñanza y aprendizaje, enriqueciendo de manera atractiva, creativa, novedosa y dinámica, las experiencias de los alumnos en algún área , en este caso de la Física. Sirve para demostrar un fenómeno o de modelo para representar un espécimen, un proceso o proponer mejoras a un modelo ya existente. Se sugiere que los participantes mencionen el o los contenidos específicos sobre el tema de la materia que se está apoyando. En la enseñanza de las ciencias y la tecnología es importante el empleo de prácticas pedagógicas que aprovechen la creatividad de los estudiantes, a la vez que los motivan a profundizar los conceptos subyacentes. En este sentido, se sugiere la utilización de material didáctico que permita la interacción del estudiante con los principios involucrados y sus respectivas aplicaciones. 48 Materiales y recursos: Cada equipo de trabajo define los materiales a emplear, pero se pueden utilizar los siguientes: Vidrio Plástico Papel y cartón Partes de un aparato sin funcionar Láminas Madera Instrucciones para desarrollar la actividad A) Elaboración de un reporte : Consiste en entregar por escrito lo siguiente Una hoja de Presentación que incluya los datos de la escuela y de los integrantes del equipo, materia, grupo, etc. Tema seleccionado. Para la elección de la temática: Incluir cualesquiera de los temas de Física I Diseño de aparatos empleados en la industria Representar procesos donde se obtiene un producto Construir un sistema de movimientos conservativos con duración de 15 segundos con una demostración práctica de recorridos, cambios de velocidad , empleos de tiempo y demás variables. Conceptos involucrados. Ya elegido el tema para el prototipo didáctico establecer que conceptos de física se aplicarán en el mismo. Materiales a utilizar: Anotar los materiales que se emplean para hacer el prototipo. 49 Desarrollo del prototipo didáctico: Explicar por medio de un diagrama y dibujos o imágenes paso a paso la construcción del aparato en cuestión. Incluir una foto del prototipo terminado. Incluir cronograma de actividades. Detallar las actividades y las fechas de las reuniones programadas para realizar el trabajo. Costo del trabajo. Aproximación de los gastos realizados en la actividad. Bibliografía y páginas de la red consultadas. B) Demostración : Consiste en comprobar el funcionamiento de su prototipo en una exposición oral ante su grupo, la que se llevará a efecto en las dos últimas semanas de la tercera evaluación parcial del semestre en curso . En esta etapa se realizará la coevaluación correspondiente. C) Exposición: Los trabajos serán presentados en la exposición de finales del semestre solo si obtiene la puntuación máxima de la rúbrica que corresponde 50 CONCEPTOS 4 Excelente Creatividad Varias de las partes usadas en el prototipo reflejan originalidad e inventiva de los estudiantes en su creación y/o exhibición. Exposición y dominio del tema Todos los integrantes del equipo deben ser capaces de exponer con claridad y coherencia la temática abordada en su prototipo. Presenta entre 7-8 secciones bien desarrolladas, con fundamento teórico y esquemático que permiten el coherente entendimiento del tema central. El prototipo muestra atención en su construcción. Todos los elementos están cuidadosamente y seguramente pegados al fondo. Sus componentes están nítidamente presentados con algunos detalles. Tiene algunas marcas notables, rayones o manchas de pegamento presentes. Nada cuelga de los bordes. Una o dos de partes usadas en el prototipo reflejan originalidad e inventiva de los estudiantes en su creación y/o exhibición. La mayor parte de los integrantes del equipo exponen con claridad el tema abordado en el prototipo. Tiempo y esfuerzo El tiempo empleado fue usado sabiamente. Mucho del tiempo y esfuerzo estuvo en la planeación y diseño en el prototipo. Es claro que el estudiante trabajó en su hogar El tiempo empleado fue usado sabiamente. El estudiante pudo haber puesto más tiempo y esfuerzo de trabajo en su hogar. Reporte escrito Calidad de la construcción Presenta las 9 secciones bien desarrolladas, con fundamento teórico y esquemático que permiten el coherente entendimiento del tema central. 3 Muy bien El prototipo muestra una considerable atención en su construcción. Todos los elementos están cuidadosamente y seguramente pegados al fondo. Sus componentes están nítidamente presentados con muchos detalles. No hay marcas, rayones o manchas de pegamento. Nada cuelga de los bordes. 2 Bien 1 Deficiente Presenta entre 5-6 secciones bien desarrolladas, con fundamento teórico y esquemático que permiten el coherente entendimiento del tema central. El prototipo muestra algo de atención en su construcción. Todos los elementos están seguramente pegados al fondo. Hay unas pocas marcas notables, rayones o manchas de pegamento presentes. Nada cuelga de los bordes. No presenta reporte teórico y esquemático que permiten el coherente entendimiento del tema central. Una parte del prototipo fue personalizado por el estudiante, pero las ideas eran típicas más que creativas. Las partes del prototipo no denotan creatividad ni atractivo. La mitad de los estudiantes exponen con claridad la temática del prototipo. Solo algunos elementos del equipo exponen con claridad y aborda la temática con escasez de ideas. El tiempo no fue usado sabiamente, pero el estudiante hizo sólo algo de trabajo adicional en su hogar. El tiempo no fue usado sabiamente y el estudiante no puso esfuerzo adicional. 51 El prototipo fue construida descuidadamente, los elementos parecen estar "puestos al azar". Hay piezas sueltas sobre los bordes. Rayones, manchas, rupturas, bordes no nivelados y /o las marcas son evidentes. Puntuación así como en la escuela. Diseño Todos los componentes reflejan una imagen auténtica del tema asignado. El diseño del prototipo está excelentemente bien organizado. Todos los componentes reflejan una imagen auténtica del tema asignado. El diseño del prototipo está muy bien organizado. La mayoría de los componentes reflejan una imagen auténtica del tema asignado. El diseño del prototipo está bien organizado. Algunos de los componentes reflejan una imagen auténtica del tema asignado. El diseño del prototipo no está bien organizado BIBLIORAFÍA Hewitt, Paul G. Física Conceptual. México, 9ª. Ed., Pearson Educación, 2004. Montiel Pérez, Héctor. Física General. Publicaciones cultural. México 2008 Tippens. Física, conceptos y aplicaciones, séptima edición, Mc Graw – Hill, 2007 Hewitt P., Robinson ,P. Manual de Laboratorio de Física Editorial Pearson. Addison Wesley Longman Carlos Gutiérrez Aranzeta, Física 1, enfoque por competencias. México Mc. Graw Hill http://www.monografias.com/trabajos30/leyes-newton/leyes-newton.shtml Fuentes Electrónicas: http://bibliotecadeinvestigaciones.files.wordpress.com/2011/03/ley-de-inercia.png http://www.cobachbc.edu.mx/SITIO http://www.pedagogica.edu.co/revistas/ojs/index.php/TED/article/viewFile/364/339 http://es.scribd.com/doc/7016198/Centro-de-Gravedad http://www.ncsu.edu/sciencejunction/route/professional/labgoals.html Asociación Americana de Profesores de Física. Traducción Felipe López Araujo DGEMS. 52
