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GUIA DE ESTUDIOS

FISICA I

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INTRODUCCIÓN

La presente guía de estudios es un instrumento educativo que sirve para orientar y auxiliar en el proceso de aprendizaje enseñanza de la asignatura de FISICA I, contenida en el plan de estudios a nivel bachillerato.

Está concebida para asistir a los estudiantes, durante su proceso formativo en las ciencias exactas. En este sentido se pretende fortalecer la formación educativa del estudiante para que sea capaz de alcanzar los conocimientos generales con respecto a los objetivos fundamentales de la materia. La guía ofrece una visión adecuada, clara y precisa de la estructura y contenidos de la asignatura Física I para implementar una estrategia de estudio que lo habilite para poder presentar los exámenes correspondientes con resultados positivos.

OBJETIVO GENERAL DE LA ASIGNATURA

El estudiante:

Aplicará los principales principios y leyes de la física relacionados con las magnitudes físicas y su medición, el movimiento de los cuerpos, las leyes de Newton, trabajo, potencia y energía; asumiendo una actitud científica frente al conocimiento, utilizando métodos y técnicas de experimentación, así como la adquisición de habilidades en el planteamiento de problemas, que partan del análisis de las interacciones de la Física con la tecnología y la sociedad; en un ambiente de respeto, tolerancia, integración grupal y cuidado del medio ambiente.

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CONTENIDO

BLOQUE 1 INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA

TEMA 1.1 Generalidades. 1.1.1 Física y su impacto en la ciencia y la tecnología. 1.1.2. Los métodos de investigación y su relevancia en el desarrollo de la ciencia TEMA 1.2 Magnitudes físicas y su medición 1.2.1. Magnitudes fundamentales y derivadas 1.2.2. Sistema CGS e inglés 1.2.3. El sistema Internacional de Unidades, ventajas y limitaciones 1.2.4. Métodos directos e indirectos de medida 1.2.5. Notación científica y prefijos 1.2.6. Transformación de unidades 1.2.7. La precisión de los instrumentos en la medición de diferentes magnitudes y

tipos de errores. TEMA 1.3 VECTORES 1.3.1. Diferencia entre las magnitudes escalares y vectoriales 1.3.2. Características de un vector 1.3.3. Representación gráfica de sistemas de vectores coplanares, no coplanares,

colineales y concurrentes 1.3.4. Descomposición y composición rectangular de vectores métodos gráficos y

analíticos BLOQUE 2 CINEMÁTICA TEMA 2.1 Movimiento en una dimensión 2.1.1 Conceptos: Distancia, desplazamiento, rapidez, velocidad y aceleración. 2.1.2 Sistemas de referencia absoluto y relativo 2.1.3 Movimiento rectilíneo uniforme 2.1.4 Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado 2.1.5 Caída libre y tiro vertical

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TEMA 2.2 Movimiento en dos dimensiones 2.2.1 Tiro parabólico horizontal y oblicuo 2.2.2 Movimiento circular uniforme y uniformemente acelerado BLOQUE 3 DINÁMICA TEMA 3.1 Leyes de Newton 3.1.1. Concepto de fuerza 3.1.2. Fuerza de fricción estática y dinámica 3.1.3. Primera ley de Newton 3.1.4. Segunda ley de Newton 3.1.5. Tercera ley de Newton 3.1.6. Ley de la gravitación universal BLOQUE 4 TRABAJO, ENERGÍA Y POTENCIA TEMA 4.2 Trabajo, potencia y energía mecánicos 4.2.1 Trabajo mecánico…………………………………………………………………. 4.2.2 Potencia mecánica………………………………………………………………… 4.2.3 Energía mecánica (cinética y potencial) y ley de conservación de la energía

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1er Periodo

BLOQUE I INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA

PROPÓSITO

Aplica conceptos básicos de la Física, sistemas de unidades y magnitudes vectoriales, mostrando disposición al trabajo metódico y organizado, reconociendo el uso de instrumentos que le permitan reducir errores de medición y comprender fenómenos físicos presentes en su entorno.

Contesta correctamente las siguientes preguntas: 1. ¿Cuál es el origen de la palabra física? 2. ¿Cómo definirías a la Física? 3. ¿Cuáles son los grandes grupos en que se divide la Física para su estudio y

cuáles son las ramas de cada uno de ellos? 4. ¿Cuál es el concepto de ciencia y cuáles son sus principales características? 5. ¿Por qué la Física se clasifica como una ciencia natural? 6. ¿Cómo se define al método científico y cuáles son sus principales pasos? 7. ¿Con qué ciencias se relaciona la Física? 8. ¿Cómo se define el concepto medir? 9. ¿Cuáles son las 7 unidades básicas o fundamentales del Sistema

Internacional de unidades? 10.¿Cuáles son los Sistemas de unidades CGS e Inglés? 11.¿Qué diferencia hay entre una medición directa y una indirecta? 12.¿En qué consiste la notación científica? 13.¿Qué beneficios representa el uso de notación científica? ¿Cuál es el objeto de utilizar prefijos? 14.Enlista los prefijos usados para el S.I. 15.Escribe el concepto de error de medición. 16.¿Cuáles son las clases de error en las mediciones? 17.¿Cuál es la definición de magnitud escalar? 18.¿Cuál es la definición de magnitud vectorial? 19.Explica qué son los vectores coplanares y no coplanares. 20.Explica qué es un sistema de vectores colineales. 21.Explica qué es un sistema de vectores concurrentes. 22.¿Cuál es la diferencia entre la resultante y la equilibrante de un sistema de

vectores? 23.Explica cuales son las componentes de un vector. 24.Describe en qué consiste la descomposición rectangular de un vector:

a) Por el método gráfico. b) Por el método analítico.

25.¿Qué diferencia existe entre la rapidez y la velocidad? 26.Al sumar dos o más vectores usando el método gráfico del polígono,

¿importa el orden en que se sumen los vectores? Sí o no y por qué.

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Relaciona ambas columnas, colocando dentro del paréntesis de las unidades, la letra que le corresponda según su concepto en el S.I. a) Intensidad luminosa ( ) segundo b) masa ( ) mol c) temperatura ( ) kilogramo d) longitud ( ) candela e) cantidad de sustancia ( ) ampere f) tiempo ( ) kelvin g) intensidad de corriente eléctrica ( ) metro Relaciona ambas columnas, colocando dentro del paréntesis del valor, la letra que le corresponda según su prefijo. prefijo símbolo Valor hecto h ( ) 1 x 10-12 micro µ ( ) 1 x 10-1 giga G ( ) 1 x 1012 deci d ( ) 1 x 10-9 peta P ( ) 1 x 103 pico p ( ) 1 x 10 mili m ( ) 1 x 10-15 femto f ( ) 1 x 102 kilo k ( ) 1 x 109 tera T ( ) 1 x 1018 atto a ( ) 1 x 10-3 nano n ( ) 1 x 1015 exa E ( ) 1 x 10-2 mega M ( ) 1 x 106 centi c ( ) 1 x 10-18 deca da ( ) 1 x 10-6 Relaciona ambas columnas, colocando dentro del paréntesis, la letra que le corresponda según su valor.

a) 8.51 x 102 ( ) 85.1 b) 8.51 x 10-3 ( ) 8.51 c) 8.51 x 10-1 ( ) 8510.0 d) 8.51 x 103 ( ) 0.0851 e) 8.51 x 10-4 ( ) 0.00851 f) 8.51 x 101 ( ) 0.851 g) 8.51 x 104 ( ) 0.000851 h) 8.51 x 100 ( ) 851.0 i) 8.51 x 10-2 ( ) 85100.0

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De acuerdo al procedimiento dado en clase, resuelve los siguientes ejercicios: Encontrar por los métodos gráfico y analítico para cada caso el vector resultante y el ángulo que lo forma respecto a la horizontal. a)

N3.51 F

Resultado:

NR 03.4

60.20

NF 22

b)

Resultado:

R

ms

39 39.80

v

ms2 25

c)

d m1 70 Resultado:

R m 86 54.40

8

d)

d m1 30 Resultado:

R m 70 220

600

d m2 50

e)

v

ms1 40 Resultado:

R

ms

26 32. 37.60

1400

f) F N1 4 Resultado:

NR 1.3

47.80 1300

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Encontrar por los métodos gráfico y analítico las componentes rectangulares de los siguientes vectores: Resultados:

NF 150

NFx 9.129

NFy 75

300

s

mv 42

Resultados:

-s

mv x 75.17

650 s

mv y 06.38

Resultados:

460 mdx 05.59

mdy 14.61

md 85

Resultados: 510

2

2

888.1s

max

23331.2

s

maY

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2o Periodo

BLOQUE II. CINEMÁTICA

PROPÓSITO

Utiliza los conocimientos de cinemática de manera crítica y reflexiva, para la solución de problemas de movimiento de los cuerpos, relacionados con situaciones de la vida cotidiana

Contesta correctamente las siguientes preguntas:

1. ¿Qué estudia la mecánica y en cuántas partes se divide?

2. Define que se entiende por cinemática. 3. ¿Qué entiendes por movimiento de un cuerpo? 4. ¿Cómo defines el concepto de partícula material en movimiento? 5. ¿Cuántas clases de sistemas de referencia hay y en qué se diferencian? 6. Define los siguientes términos: distancia, desplazamiento, velocidad, rapidez y

aceleración. 7. ¿Cuál es la expresión matemática para la velocidad y cuáles son sus unidades

en el S.I.? 8. 9. ¿Qué entiendes por movimiento de los cuerpos en una y dos dimensiones? 10. Explica las características del movimiento rectilíneo uniforme, unifórmente

variado, caída libre y tiro vertical, cuáles son sus fórmulas y unidades en el S.I. 11. Cita un ejemplo de movimiento sin aceleración. 12. Cuando un móvil es lanzado verticalmente hacia arriba alcanza su altura máxima

en el momento que su velocidad vale? 13. Define los siguientes términos: ángulo, radián, periodo, frecuencia, y velocidad

angular. 14. Explica cómo se define la aceleración angular, cuál es su fórmula y unidades en

el S.I. 15. Explica las características del movimiento circular uniforme y uniformemente

acelerado y cuáles son sus fórmulas. 16. Define que se entiende por movimiento parabólico horizontal y oblicuo, cuáles

son sus fórmulas y unidades en el S.I.

Relaciona ambas columnas, colocando dentro del paréntesis de las unidades, la letra que le corresponda según su concepto .

a) Velocidad angular ( ) m/s2

b) Periodo ( ) Hz

c) Desplazamiento lineal ( ) s

d) Velocidad lineal ( ) rad/s2

e) Desplazamiento angular ( ) m/s

f) Frecuencia ( ) rad

g) Aceleración lineal ( ) rad/s

h) Aceleración angular ( ) m

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De acuerdo al procedimiento dado en clase, resuelva los siguientes ejercicios:

1. Un automóvil parte del reposo y en 10 s alcanza una velocidad de 40 m/s. Calcular: a) ¿Cuál es su aceleración? b) ¿Cuál será su velocidad después de 15 s?

Resultados: a) 4 m/s2 c) 60 m/s

2. Una motocicleta de carreras arranca desde el reposo manteniendo una aceleración

constante de 1.5 m/s2. Calcular: a) ¿En qué tiempo recorrerá 0.5 km? b) ¿Qué velocidad llevará en ese tiempo en m/s?

Resultados: a) 25. 82 s b) 38.73 m/s

3. Una lancha de motor parte del reposo y en 0.5 min alcanza una velocidad de 15 m/s. Calcular:

a) ¿Cuál fue su aceleración? b) ¿Cuántos metros se desplazó en ese tiempo?

Resultados: a) 0.5 m/s2

b) 225 m

4. Los frenos de un automóvil pueden producir una aceleración de -6 m/s2. Calcular: a) ¿Cuanto tiempo llevará al automóvil detenerse por completo si lleva una velocidad de 30 m/s? b) ¿Qué distancia recorre el automóvil durante el tiempo en que aplica los frenos?

Resultados: a) 5 s b ) 75 m

5. Una motocicleta viaja a 25 m/s logra detenerse en 5 s. Calcular: ¿Cuál es su aceleración?

Resultado: – 5 m/s2 6. Encuentra la aceleración de un automóvil que logra detenerse a partir de una

velocidad de 25 m/s después de recorrer una distancia de 40 m. Resultado: - 7.81 m/s2

7. Una piedra se suelta desde una azotea y tarda en llegar al suelo 10 s. Calcular: a) ¿Desde qué altura cayó? b) ¿Con qué velocidad llega al suelo?

Resultados: a)- 490 m b) -98 m/s)

8. Desde un rascacielos de 300 m de altura se deja caer una bola de boliche. Calcular: a) ¿Cuánto tiempo tardará en llegar al suelo? b) ¿Cuál será la velocidad final de la bola?

Resultados: a) 7.82 s b) -76.68 m/s

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9. Se lanza verticalmente hacia arriba una pelota de béisbol con una velocidad de 25

m/s. Calcular: a) ¿Qué distancia recorre en 2 s? b) ¿Qué tiempo tardará en alcanzar la altura máxima?

Resultados: a) 30.4 m b) 2.55 s

11. Un jugador de softbol lanza verticalmente una pelota que alcanza una altura de 30 m. Calcular:

a) ¿Con qué velocidad inicial se lanzó? b) ¿Cuánto tiempo debe esperar para atrapar la pelota a su regreso?

Resultados: a) 24.25 m/s b) 4.95 s

12. Se lanza una pelota de golf a una velocidad de 55 m/s, con un ángulo de 500. Calcular: a) ¿Cuál es su alcance? b) ¿Cuál es su tiempo de vuelo?

Resultados: a) 304 m b) 8.6 s

1. Un avión vuela horizontalmente con una velocidad de 222.22 m/s y deja caer un proyectil

desde una altura de 0.5 km respecto al suelo. Calcular: a) ¿Cuánto tiempo transcurre antes de que el proyectil se impacte en el suelo? b) ¿Qué distancia horizontal recorre el proyectil después de iniciar su caída?

Resultados: a) 102.04 s b) 22 675.3 m

14. Una piedra se encuentra atada al extremo de una cuerda y gira desplazándose

45000 rad en 1 min. Calcular: a) La velocidad angular b) La frecuencia c) El periodo

Resultados: a) 750 rad/s b)119.4 Hz

c) 0. 00837 s 15. Encontrar la velocidad angular de un disco de 33 rpm, así como su desplazamiento

angular, si su movimiento duró 5 min. Resultados: )3.454 rad/s

1036.2 rad 16. Un volante gira inicialmente a 6 rev/s y después se somete a una aceleración

angular constante de de 4 rad/s2. Calcular:

a) La velocidad angular después de 5 s. b) Cuántas revoluciones completas efectúa.

Resultados: a) 57.7 rad/s b) 38.0 rev

17. Un disco rectificador detiene su movimiento en 40 revoluciones. Si la aceleración de frenado fue de de – 6 rad/s2, ¿cuál fue su velocidad angular.

Resultados: 54.9 rad/ s

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18. Una polea aumenta su velocidad de rotación de 6 a 12 rev/s en 8 s. ¿Cuál es su aceleración angular?

Resultados: 4.71 rad/s2 19. El disco de un torno que gira inicialmente con una velocidad angular de 6 rad/s

recibe una aceleración constante de 2 rad/s2. Calcular:

a) El desplazamiento angular en 3 s. b) La velocidad angular final

Resultados: a) 27 rad b) 12 rad/s

3er Periodo BLOQUES III Y IV. DINÁMIA, TRABAJO, ENERGÍA Y POTENCIA

PROPÓSITO

Aplica los conocimientos de la dinámica relacionándolos con su entorno, para comprender de manera consciente e informada sobre la relación entre fuerza y movimiento. Utiliza los conceptos de trabajo, energía y potencia, favoreciendo un pensamiento crítico, valorando las consecuencias sobre el uso de la energía en su vida diaria.

Contesta correctamente las siguientes preguntas:

1. Define dinámica 2. ¿Cómo defines fuerza? 3. Explica la diferencia entre fuerza de contacto y a distancia. 4. Describe el concepto de fricción. 5. ¿Cuales son las fuerzas de fricción estáticas y dinámicas? 6. ¿Qué se entiende por coeficiente de fricción estático y dinámico? 7. Define el concepto de fuerza normal. Resultados: 8. Explica qué se entiende por resultante y equilibrante de un sistema de fuerzas. 9. Define el concepto de inercia. 10. Escribe la primera ley de Newton. 11.Define el concepto de masa inercial. 12. Explica la segunda ley de Newton y cuál es la expresión matemática y cuáles son

sus unidades en el S.I.? 13.Define el concepto de peso. 14.¿Cuál es la diferencia entre peso y masa? 15.Define la tercera ley de Newton. 16.Enuncia la ley de gravitación universal y escribe su expresión matemática. 17.¿Cómo se define trabajo mecánico, escribe su expresión matemática y cuál es su

unidad en el S.I.? 18.¿Por qué no se realiza trabajo mecánico cuando sostienes sobre tu cabeza una silla

por 10 minutos? 19.Define energía y cuántas clases de ella conoces. 20.Explica qué es la energía cinética y potencial y cómo se calcula su valor. 21.Explica cómo varia la energía cinética y potencial cuando un móvil se lanza

verticalmente hacia arriba hasta que regresa a su punto de partida.

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22.Describe el concepto de energía mecánica. 23.Enuncia la Ley de la conservación de la energía. 24.Explica qué entiendes por potencia mecánica, citando fórmulas y unidades en el S.I.

Relaciona ambas columnas, colocando dentro del paréntesis de los conceptos, la letra que le corresponda según su unidad en el S.I. (se repiten) a) watt ( ) trabajo ( ) fuerza b) newton ( ) energía cinética ( ) masa c) kilogramo ( ) potencia ( ) peso d) joule ( ) energía potencial

De acuerdo al procedimiento dado en clase, resuelva los siguientes ejercicios:

1. Una fuerza horizontal de 25 N es apenas suficiente para poner en movimiento un trineo vacío de 500 N sobre nieve. Después de iniciar el movimiento se requieren tan solo de 12 N para mantener el trineo a velocidad constante. Encuentra los coeficientes de fricción estática y dinámica.

Resultados: µe = 0.05 µk = 0.024

2. Supongamos que en el trineo descrito en el problema anterior se colocaran 120 N

de carga. ¿Cuál sería la nueva fuerza necesaria para arrastrar el trineo a rapidez constante?

Resultado: Fk = 14. 88 N 3. Una caja con herramientas de 85 N es arrastrada horizontalmente con una

velocidad constante por medio de una cuerda que forma un ángulo de 400 con el piso. La tensión registrada en la cuerda es de 55 N. Calcula las magnitudes de la fuerza de fricción y de la fuerza normal.

Resultados: Fk = 42.13 N N = 59.29 N

4. ¿Cuál es el coeficiente de fricción estático del problema anterior? 4. Resultado: µe = 0.71

5. Calcular la fuerza que recibe un cuerpo de 25 kg, la cual produce una aceleración de

3 m/s2. Resultado: 75 N

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6. Calcular la aceleración de un móvil de 10 000 000 g al aplicarle una fuerza de 80 N. Resultado: 0.008 m/s2

7. Determinar la masa de un cuerpo si al recibir una fuerza de 280 N le produce una aceleración de 3.5 m/s2.

Resultado: 80 kg 8. Determinar el peso de un cuerpo cuya masa es de 10 000 g.

Resultado: 98 N 9. Calcular la masa de un cuerpo cuyo peso es de 1960 N.

Resultado: 200 kg 6. ¿Qué trabajo debe realizarse para levantar 3 m sobre el nivel del mar a un bote de 950 kg?

Resultado: 27 930 J 7. Cuando se levantó un automóvil de 1500 kg se realizó un trabajo de 20 000 J.

Calcular: ¿A que altura se levantó?

Resultado: 1.36 m 8. Una niña jala un triciclo con una fuerza de 40 N por medio de una cuerda que forma Calcular: ¿Qué trabajo realiza para mover el triciclo una distancia de 12 m?

Resultado: 393. 2 J 9. Una mujer de 60 kg patina en el hielo a una velocidad de 8.5 m/s. Calcular: ¿Cuál es su energía cinética?

Resultado: 2167.5 J 10. ¿Cuál es la velocidad de un balón de 1 kg que tiene una energía cinética de 1 J?

Resultado: 1,41 m/s 11. ¿Cuál es la energía cinética de un automóvil que pesa 12.000 N si viaja a 100

km/h? Resultado: 4.72 x 105 J

12. Una piedra de 50 g se levanta a 30 m sobre el piso. Calcular: La energía potencial

Resultado: 14.7 J 13. ¿A qué altura sobre el piso se debe encontrar un ladrillo de 2 kg para que tenga una energía potencial de 120 J?

Resultado: 6.12 m 14. Determinar la masa de un cuerpo cuya energía potencial es 900 J y se encuentra a una altura de 31 m.

Resultado: 2.96 kg 15. Se levanta un bloque de acero de 150 kg a una azotea de 20 m de altura. Calcular: a) El trabajo que realizó. b) La energía potencia del bloque en la azotea c) ¿Cuál sería su energía cinética al chocar contra el suelo si se deja caer

libremente? Resultados: a) 29 400 J

b) 29 400 J c) 29 400 J

16. Un atleta de 70 kg sube corriendo por una escalera y llega a una altura de 5 m en 7 s. Calcular la potencia.

Resultado: 490 W

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17. Un caballo desarrolla una potencia de 746 W cuando tira de una carreta con una fuerza de 250 N. Calcular la velocidad de la carreta?

Resultado: 2.98 m/s 18. Determinar el tiempo que requiere un motor de un elevador cuya potencia es de 4 000 W, para elevar una carga de 6000 N hasta una altura de 50 m.

Resultado: 75 s 19. Calcular la potencia de una grúa que es capaz de levantar 20 bultos de cal hasta una altura de 10 m en un tiempo de 2 s, si cada bulto tiene una masa de 50 kg.

Resultado: 49 000 W 20. Determinar la velocidad con la que una grúa con motor de 50 hp puede elevar un bloque de 20 000 N de peso.

Resultado: 1.865 m/s 21. Determinar la fuerza gravitacional con la que se atraen dos cuerpos cuyas masas

son: 2 x 103 kg y 3 x 103 kg, al estar separados 1.5 m. Resultado: 1.778 x 10-4 N

22. ¿A qué distancia se encuentran dos mesas cuyas masas son 45 kg y 30 kg, si la fuerza con la que se atraen es 2.8 x 10-12 N?

Resultado: 179.3 m 23. Determinar la masa de un libro, si la fuerza gravitacional con que se atrae con otro

de 500 g es de 2.9 x 10-11 N al encontrase separados 80 cm.