dpto. de ciencias naturales - matias puello lo que las hace m´as ut´ iles y eﬁcaces que las...

NORMAL SUPERIOR LA HACIENDA

DPTO. DE CIENCIAS NATURALES

ASIGNATURA: FISICA NIVEL 8o GRADO

DOCENTE: MATIAS ENRIQUE PUELLO CHAMORRO

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Lic: Matías Enrique Puello Chamorro

1. La materia y sus propiedades

Todo lo que podemos ver y tocar es materia. Tambien son materia cosas que no podemos ver,como el aire. Observamos que la materia ocupa una cierta porcion de espacio que llamamosvolumen. Otra propiedad esencial es que la materia tiene masa, lo que comprobamos cadavez que pesamos distintos objetos con una balanza. No solo lo que esta a nuestro alcancees materia. Tambien es materia lo que constituye los planetas, el Sol y las demas estrellas,las galaxias... Y a escala microscopica, son tambien materia las celulas, los virus, el ADN...Podemos decir que es materia todo lo que ocupa volumen y tiene masa. La materia formatodos los cuerpos del universo. La materia interacciona con instrumentos de medida

2. Propiedades generales de la materia

2.1. Masa

La masa, propiedad esencial de la materia,indica la cantidad de materia que tienen loscuerpos. Se mide con la balanza.

La masa es una medida de la cantidad de material que posee un cuerpo. Esta propiedad fısicano varıa jamas, independiente del lugar donde se encuentre el cuerpo o de su volumen.Los fısicos indican que la masa esta asociada a la inercia de los cuerpos, por tanto cuantomayor sea la masa, mayor sera la fuerza necesaria para mover el objeto; es decir sera masdifıcil variar su estado de movimiento.

La unidad de masa, en el Sistema Internacional de Unidades es el kilogramo (kg). Es unacantidad escalar y no debe confundirse con el peso, que es una fuerza.

Tambien podemos usar cualquier otra unidad de masa, como el gramo (g), la tonelada (Ton),la libra (Lb) la onza (onza), etc.

La masa de un cuerpo solo depende de las masas de sus partıculas: es la suma de la masa detodas ellas.

2.1.1. Uso de la balanza

La balanza es un dispositivo mecanico o electronico empleado en hogares, laboratorios, em-presas e industrias para determinar el peso o la masa (debido a la relacion que existe entreambas magnitudes) de un objeto o sustancia; tambien puede denominarse bascula en algunoscasos. El mecanismo para pesar mas sencillo es la balanza de brazos iguales, empleada porprimera vez por los egipcios alrededor del 2500 a.C.

La balanza clasica es una palanca de primer genero, de brazos iguales, de cuyos extremospenden unos platillos de igual peso. En el centro de palanca o cruz y perpendicularmentea ella, lleva una aguja llamada fiel, que oscila delante de un limbo graduado para medir la

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amplitud de oscilacion o senalar el equilibrio en el cero o punto de fe. El eje de la cruz se apoyapor la arista de un prisma de acero sobre una plataforma horizontal para anular practicamenteel rozamineto con lo que se consiguen lecturas mas exactas.

Algunas balanzas modernas que emplean los mismos principios que la balanza de brazos igualeso la romana pueden efectuar pesadas muy precisas. Las balanzas de precision empleadas enlaboratorios cientıficos son capaces de determinar el peso de pequenas cantidades de materialcon una precision de una millonesima de gramo. Estos dispositivos estan encerrados en cajasde vidrio o plastico para evitar que las corrientes de aire o las variaciones de temperaturaafecten a la pesada.

Las balanzas electronicas, que emplean electricidad para determinar el peso, son mas rapidasy por lo general mas precisas que las mecanicas. Tambien pueden incorporarse a sistemascomputarizados, lo que las hace mas utiles y eficaces que las balanzas mecanicas en la mayorıade las aplicacionesCaracteristicas de una balanzaLas principales caracteristicas de una balanza son:

I Exactitud: Una balanza es exacta, cuando conseguido el equilibrio, las masas colocadasen los platillos son iguales; por lo tanto los brazos de la palanca deben ser rigurosamenteiguales

I Sensibilidad: Es el angulo que gira el fiel al anadir la sobrecarga unidad en uno de susplatillos.

I Fidelidad: Se dice que una balanza es fiel cuando realiza diversas medidas de una mismamagnitud en las mismas condiciones, los resultados obtenidos son identicos.

Partes de una Balanza

I Base: sirve para sostener la balanza, debe ser fija

I Platillos: Sirve para colocar el cuerpo a pesar

I El fiel: Aguja que marca el equilibrio

I Tornillo calibrador: se utiliza para calibrar la balanza, es decir, para que el fiel marquela posicion de equilibrio.

I Escala: Es donde se realiza la lectura de la pesada.

2.1.2. Medidas de masa

Habitualmente en los laboratorios es necesario obtener medidas de masa. Para ello se utilizala balanza, que no es solo un instrumento basico sino tambien el mas preciso. Pueden serde diferentes tipos y modelos pero todas estan constituidas basicamente por una palanca deprimer genero que se encarga de comparar la masa de dos cuerpos valiendose de sus pesos. En

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el laboratorio clınico las balanzas pueden ser de dos tipos; granatarias y analıticas. En generallas balanzas granatarias poseen una sensibilidad de 0.1 g, carga maxima de 2610 g y sonmenos sensibles que las analıticas. Pueden ser mecanicas (uno o dos platillos) o electronicas(un platillo). Algunos perfeccionamientos recientes han permitido hacer mas facil y mas rapidoel empleo de las balanzas, pero no se ha modificado los principios de su funcionamiento.

En las balanzas la operacion de pesar, consiste en comparar una masa estandar (pesas) con lamasa del objeto. El proceso se basa en la ecuacion de Newton que establece: P = m · g. Esteultimo valor, varıa en los diferentes lugares de la superficie de la tierra, por lo tanto el producto(m ·g) tambien variara. En la igualdad anterior m se mantiene constante. Al comparar el pesodesconocido con los estandares conocidos de las pesas, se tiene que

P (estandar) = m(estandar) · gP (objeto) = m(objeto) · g

En estado de equilibrio g, actua con el mismo valor tanto sobre las pesas como sobre el objeto,de donde resulta

m(estandar) = m(objeto)

P (estandar) = P (objeto)

Por consiguiente cuando la masa de los dos cuerpos son iguales sus pesos tambien lo son.

Generalmente no se usa la expresion masa al emplear la balanza, sino la expresion peso, y asu determinacion se le denomina pesada. Para llevar a cabo la pesada se utilizan recipientesadecuados (vidrios de reloj, capsulas de porcelana, etc,) aunque tambien es posible emplearpapel de filtro. Es importante seguir una serie de reglas o normas para obtener pesos exactos.

Normas para realizar una buena pesada

1. Colocar la balanza en una superficie plana, nivelada y firme

2. Evitar las corrientes de aire, para que la balanza busque rapidamente la posicion deequilibrio

3. Revisar que la balanza se encuentre calibrada, la balanza estara calibrada cuando coin-cida la aguja o fiel con el centro de la escala o cuando coincida la lınea de la escala movilcon la lınea de la escala fija. Si no se encuentra calibrada, usar el tornillo calibrador yajustarla en la posicion de equilibrio.

4. No colocar sobre los platillos objetos o sustancias que los deteriore, para esto se em-plearan recipientes adecuados por ejemplo; vidrio de reloj, pesa filtros, capsulas de porce-lana, crisoles, papel, etc.

5. En caso de usar recipientes pesar primero este, luego agregar la sustancia y pesarlonuevamente, el peso de la sustancia se obtiene por diferencia

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6. Colocar en el centro del platillo el objeto que se va a pesar.

7. Agregar pesas hasta que la balanza quede nuevamente nivelada (calcular primero el pesoaproximado del objeto, colocar la pesa de mayor valor, si el peso del objeto es menorregresar la pesa a su lugar y colocar una de menor valor, repetir el procedimiento hastaencontrar el peso del objeto)

8. Anotar el peso del objeto el cual se obtiene sumando las pesas empleadas.

Actividad practica

Materiales

I Balanza.

I Cuerpos tabulados

I Cuerpo no tabulado.

Procedimiento

1. Seguir las indicaciones para pesar sus muestras en la balanza granataria.

2. Resultados

Cuerpo 1 Cuerpo 2 Cuerpo 3 Cuerpo 4

Medida

2.2. Peso

El peso de un cuerpo no es otra cosa que la fuerza de atraccion gravitacional que ejerce latierra sobre los cuerpos. El peso es muy diferente a la masa, ya que esta solo es una medidade la cantidad de material que posee un cuerpo. A diferencia de la masa, esta propiedad varıadependiendo en el lugar donde se encuentre el cuerpo.

P = masa x aceleracion gravedadcon g = 9, 8 m

seg2 .

La fuerza de atraccion gravitatoria es la responsable no solo de la caıda de los cuerpos, sinotambien de la trayectoria de cualquier astro alrededor de otro. Y tambien, por supuesto, delmovimiento de los satelites artificiales y de la Luna alrededor de la Tierra.

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2.2.1. Uso del dinamometro

El instrumento para medir fuerzas se llama dinamometro, es un resorte que se estira sobre unaescala. Si se aplica una fuerza de una unidad sobre el dinamometro, el resorte se estira hastaque ejerce una fuerza igual y contraria a la aplicada. En la escala se mide el alargamiento delresorte y se le asigna una unidad de fuerza. De esa manera se calibra el dinamometro y se usapara medir fuerzas, por ejemplo se aplica una fuerza sobre el dinamometro y si se estira 2,5unidades, entonces la fuerza aplicada es 2,5 veces la unidad de fuerza. Este procedimiento esvalido para pequenos alargamientos del resorte, ya que si la fuerza es muy intensa, se puededeformar y no volver a su forma original.

Materiales

I Base soporte

I Dinamometro de 5N

I Nuez doble

I Pesas de 10 g (4). Pesa de 50 g (1), Pesa

de 100 g (1), Pesa de 200 g (1)

I Porta pesas

I Regla

I Varilla eje y varilla soporte roscada

Procedimiento

En este experimento se pretende estudiar eluso y manejo de un dinamometro. Primero seestudia su escala de medida para aprender ahacer una buena lectura, luego se usa el di-namometro para medir el peso de unos cuer-pos como se muestra en la figura.

Montaje

Actividades

1. Tome el dinamometro y observe su escala de medida.

2. Cuente el numero de espacios iguales que hay entre la division marcada con 1 N y lamarcada con 2 N. Anotelo como E1.



5. Mide con la regla la longitud (L) entre las divisiones marcadas con 2 N y 3 N. Anote suvalor L=

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6. Dibuja en tu libreta un segmento cuya longitud sea el doble de L y reproduzca la escaladel dinamometro para esa longitud, de modo que la primera raya este marcada con 2 Ny la ultima con 3 N.

7. Coloca el dinamometro como indica la figura y cuelga de el el portapesas cuya masa esde 5 g. Agrega una pesa de 100 g. Anota lo que marca el dinamometro como P1.

8. Repite el paso anterior para una pesas de 100 g y una de 50 g. Anota el valor P2

9. Cambia las pesas por una de 100 g, una de 50 g y 4 de 10 g. Anota su valor P3

10. Cambia de nuevo las pesas por una de 200 g. Anota su valor P4

Numero de Masa que cuelga Peso

espacios iguales del dinamometro (g) (N)

E1 = 2N−1NE1

= − = P1 =

E2 = 4N−2NE2

= − = P2 =

E3 = 5N−1NE3

= − = P3 =

Tabla.-1 P4 =

Tabla.-2

2.3. Volumen

El volumen es una magnitud fısica derivada que proviene de tres dimensiones de longitud, queson el largo, ancho y alto.Definimos el volumen como la cantidad de espacio que ocupa un cuerpo. La unidad paramedir volumenes en el Sistema Internacional es el metro cubico (m3) que corresponde alespacio que hay en el interior de un cubo de 1 m de lado. Sin embargo, se utilizan mas sussubmultiplos, el decımetro cubico (dm3) y el centımetro cubico (cm3).Sus equivalencias con el metro cubico son:

1m3 = 1000dm3

1m3 = 1000000cm3

Para medir el volumen de los lıquidos y los gases tambien podemos fijarnos en la capacidaddel recipiente que los contiene, utilizando las unidades de capacidad, especialmente el litro (l)y el mililitro (ml).Existe una equivalencia entre las unidades de volumen y las de capacidad:

1l = 1dm3

1ml = 1cm3

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En quımica general el dispositivo de uso mas frecuente para medir volumenes es la probeta.Cuando se necesita mas exactitud se usan pipetas o buretas.

2.3.1. Uso de la probeta

Las probetas son recipientes de vidrio gradu-ados de forma cilindrica apoyada en una base,que sirven para medir el volumen de lıquidos(leyendo la division correspondiente al nivelalcanzado por el lıquido) y solidos (midiendoel volumen del lıquido desplazado por el solido,es decir la diferencia entre el nivel alcanzadopor el lıquido solo y con el solido sumergido).

2.3.2. Actividad

Para medir el volumen de los lıquidos uti-lizamos la probeta. Determina el volumen delıquido en cada probeta

Volumen de agua

V1 =

V2 =

V3 =

2.3.3. Actividad

Para determinar el volumen de solidos irregulares utilizamos tambien la probeta. Determinael volumen del solido y explica el procedimiento que has seguido.

Volumen del solido

V1 =

V2 =

V(solido) =

2.4. Inercia

Es la propiedad de la materia que hace que se resista a cualquier cambio de su movimiento, yasea en su direccion o rapidez. Por ejemplo, los pasajeros de un automovil que acelera sienten

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contra la espalda la fuerza del asiento, que vence su inercia y aumenta su velocidad. Cuandoeste frena, los pasajeros tienden a seguir moviendose y se mueven hacia delante, por lo quedeben apoyarse en el asiento delantero para no salir del suyo. Si se realiza un giro, un paquetesituado sobre el asiento se desplazara lateralmente, porque la inercia del paquete hace quetienda a seguir moviendose en lınea recta.

Siguiendo con lo expuesto anteriormente, notamos que mientras mayor sea la masa de uncuerpo, mayor sera la fuerza que se le debera aplicar para cambiar su estado de movimiento yvencer su inercia.

MASA INERCIALEs el termino que se usa para cuantificar la inercia y mide la resistencia de un cuerpo a cambiarsu estado de movimiento o de reposo cuando se le aplica una fuerza

F = m · a

MASA GRAVITACIONALEs un termino equivalente a la masa inercial en donde la fuerza aplicada es la fuerza degravitacion universal.

F = G× M ×m

d2

Esta fuerza de atraccion entre dos cuerpos, imaginemos la tierra masa M y un cuerpo sobrela superficie de la misma, de masa m, la fuerza de gravitacion F sera igual al producto de lasmasas entre el cuadrado de la distancia que los separa.Ambas masa son escalares y en el SI se mide en Kg.

2.5. Impenetrabilidad

En fısica, la impenetrabilidad es la resistencia que opone un cuerpo a que otro ocupe si-multaneamente su lugar, ningun cuerpo puede ocupar al mismo tiempo el lugar de otro.Ası mismo la impenetrabilidad es la resistencia que opone un cuerpo a ser traspasado.

3. Propiedades especıficas

3.1. Densidad

Es la masa de un cuerpo contenida en una unidad de volumen. Dos cuerpos pueden tener elmismo volumen pero distinta masa, por ejemplo, podemos llenar una botella de un lıquidoo llenarla de algodon, el lıquido posee mayor masa que el algodon, aunque ocupan el mis-mo volumen. La densidad de un cuerpo esta relacionada con su flotabilidad, una sustanciaflotara sobre otra si su densidad es menor. Por eso la madera flota sobre el agua y el plomo sehunde en ella, porque el plomo posee mayor densidad que el agua mientras que la densidad dela madera es menor, pero ambas sustancias se hundiran en la gasolina, de densidad mas baja.Cuanto mayor sea la densidad de un cuerpo, mas pesado nos parecera:

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d =masa

volumen

(Kg

m3

)d =

m

vDe acuerdo con lo anterior la densidad tambien se puede definir como el cociente entre la masade un cuerpo y el volumen que ocupa. Ası, como en el S.I. la masa se mide en kilogramos (kg)y el volumen en metros cubicos (m3) la densidad se medira en kilogramos por metro cubico(

kgm3

). Para el agua, por ejemplo, como un kilogramo ocupa un volumen de un litro, es decir,

de 0,001 m3, la densidad sera de 1000(

kgm3

)A menudo se suele emplear otra unidad de medida el gramo por centımetro cubico

(g

cm3

), de

esta forma la densidad del agua sera 1.0(

gcm3

). Las medidas de la densidad quedan, expresada

ahora mucho mas pequenas y faciles de usar.

Sustancia Densidad en(

kgm3

)Densidad en

(g

cm3

)Agua 1000 1

Aceite 920 0.92

Gasolina 680 0.68

Plomo 11300 11.3

Acero 7800 7.8

Mercurio 13600 13.6

Madera 900 0.9

Aire 1,3 0.0013

Butano 2,6 0.0026

Dioxido de carbono 1,8 0.0018

La densidad de un cuerpo esta relacionada con su flotabilidad, una sustancia flotara sobreotra si su densidad es menor. Por eso la madera flota sobre el agua y el plomo se hunde en ella,porque el plomo posee mayor densidad que el agua mientras que la densidad de la madera esmenor, pero ambas sustancias se hundiran en la gasolina, de densidad mas baja.

3.1.1. Calculo de la densidad en los lıquidos

En el laboratorio, vamos a coger agua en un recipiente y, utilizando una probeta y la balanza,vamos a determinar las masas que tienen diferentes volumenes de agua; los vamos a anotar:

Masa de agua Volumen de agua

m1 = V1 =

m2 = V2 =

m3 = V3 =

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Hacemos otras medidas similares con aceite:

Masa de aceite Volumen de aceite

m4 = V4 =

m5 = V5 =

m36 = V6 =

A continuacion, dividimos cada medida de la masa de agua por el volumen que ocupa y lomismo hacemos con las medidas obtenidas con el aceite.

MasaVolumen

MasaVolumen

m1

V1= m4

V4=

m2

V2= m5

V5=

m3

V3= m6

V6=

¿Que observaremos?Que los cocientes obtenidos con las medidas del agua son iguales entre sı, lo mismo que ocurrecon las del aceite; pero, comparadas las unas con las otras, veremos que son diferentes.¿Que hemos calculado en esos cocientes? Hemos hallado la masa de la unidad de volumen decada uno de estas sustancias, es decir, su densidad.

3.1.2. Calculo de la densidad en los solidos

Para hallar la densidad, utilizaremos la relacion:

densidad =masa

volumen

1. Lo primero que haremos es, determinar la masa del solido en la balanza.

m = g

2. Para hallar el volumen se tienen dos metodos

I Cuerpos regulares:

Aplicaremos la formula que nos permite su calculo. Si es necesario conocer algunade sus dimensiones las mediremos con el calibre, la regla o el instrumento de medidaadecuado.

I Cuerpos irregulares

En un recipiente graduado echaremos agua y anotaremos su nivel. Luego, sumer-giremos totalmente el objeto y volveremos a anotar el nuevo nivel, La diferencia deniveles sera el volumen del solido.

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3. Por ultimo calculamos la densidad, aplicando la relacion escrita para la densidad.

densidad =masa

volumen

4. Actividad practica

Materiales

B Balanza

B Cilindro metalico (Fe y Al)

B Taco de madera

B Probeta de 100 ml

B Agua

B Vaso plastico

Procedimiento

a) Use la balanza y determine la masa de cada uno de los cuerpos entregados

b) Determine el volumen de cada cuerpo usando el metodo geometrico o el de inmer-sion.

c) Anote los resultados en la tabla y calcule su densidad

Masa (g) Volumen (ml) Densidad ( gml

)

Cilindro (Fe)

Cilindro (Al)

Taco de madera

3.2. Punto de ebullicion y de fusion

Calor y Temperatura: En el lenguaje cotidiano solemos confundir los terminos calor ytemperatura. Ası, cuando hablamos del calor que hace en el verano o lo mal que saben losrefrescos calientes, realmente nos referimos a la temperatura, a la mayor o menor temperaturadel aire o los refrescos. La temperatura es una magnitud fısica que nos permite definir el estadode una sustancia, lo mismo que cuando decimos que un coche circula a 90 km/h o que unacasa tiene 5 m de alto.

Cuando se ponen en contacto dos sustancias a distinta temperatura, evolucionan de forma queel cuerpo a mayor temperatura la disminuye y el que tenıa menor temperatura la aumentahasta que al final los dos tienen la misma temperatura, igual que al echar un cubito de hieloa un refresco, que el refresco se enfrıa y el cubito de hielo se calienta y termina convirtiendoseen agua. Decimos que la sustancia a mayor temperatura ha cedido calor a la sustancia quetenıa menor temperatura.

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Sin embargo, el calor no es algo que este almacenado en el cuerpo mas caliente y que pasaal cuerpo mas frıo. Tanto uno como otro poseen energıa, que depende de la masa del cuerpo,de su temperatura, de su ubicacion, etc. y recibe el nombre de energıa interna. Cuando estaenergıa interna pasa de una sustancia a otra a causa de la diferencia de temperatura entre ellasla llamamos calor. Una catarata es agua que pasa de un sitio a otro porque estan a distintaaltura, de forma similar el calor es la energıa que pasa de un cuerpo a otro porque estan adistinta temperatura.

3.2.1. Punto de ebullicion

Si ponemos al fuego un recipiente con agua, como el fuego esta a mayor temperatura que elagua, le cede calor y la temperatura del agua va aumentando, lo que podemos comprobarsi ponemos un termometro en el agua. Cuando el agua llega a 100 oC, empieza a hervir,convirtiendose en vapor de agua, y deja de aumentar su temperatura, pese a que el fuego siguesuministrandole calor: al pasar de agua a vapor de agua todo el calor se usa en cambiar delıquido a gas, sin variar la temperatura.

La temperatura a la que una sustancia cambia de lıquido a gas se llama puntode ebullicion y es una propiedad caracterıstica de cada sustancia, ası, el punto deebullicion del agua es de 100 oC, el del alcohol de 78 oC y el hierro hierve a 2750 oC.

3.2.2. Punto de fusion

Si sacas unos cubitos de hielo del congelador y los colocas en un vaso con un termometroveras que toman calor del aire de la cocina y aumentan su temperatura. En un principio sutemperatura estara cercana a -20 oC (depende del tipo de congelador) y ascendera rapidamentehasta 0 oC, se empezara a formar agua lıquida y la temperatura que permanecera constantehasta que todo el hielo desaparezca.

Igual que en el punto de ebullicion, se produce un cambio de estado, el agua pasa del estadosolido (hielo) al estado lıquido (agua) y todo el calor se invierte en ese cambio de estado, novariando la temperatura, que recibe el nombre de punto de fusion. Se trata de una temperaturacaracterıstica de cada sustancia: el punto de fusion del agua es de 0 oC, el alcohol funde a -117oC y el hierro a 1539 oC.

Sustancia Punto de fusion (oC) Punto de ebullicion (oC)

Agua 0 100

Alcohol -117 78

Hierro 1539 2750

Cobre 1083 2600

Aluminio 660 2400

Plomo 328 1750

Mercurio -39 357

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