guÍas prÁticas de laboratorio de fÍsica i.docx

8/10/2019 GUAS PRTICAS DE LABORATORIO DE FSICA I.docx

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INSTRUMENTOS DE MEDIDAS Y TEORA DEL ERROR

Adaptacin del Experimento N1 de la Gua de Ensayos y Teora del Error del profesor Ricardo

Nitsche, pgina 36-42. Autorizado por el Autor.

Materiales:Cilindros graduados variosBalanzas mecnicas y digitalesReglaTermmetroVoltmetro

AmpermetroCronmetroDinammetro

VernierTornillos micromtrico

Slidos geomtricamente definidos

OBJETIVOS

Al finalizar el ensayo el participante ha de estar en capacidad de determinarcorrectamente el valor de una lectura, indicando el nmero de cifras significativas que

contiene la lectura y determinar el error de la lectura. Para ello debe ser capaz de:

Reconocer distintos aparatos de medida, indicando su uso y unidad en que miden Determinar para distintos aparatos de medida, la apreciacin de la misma Determinar para distintos objetos su medida mediante el uso del vernier Determinar para distintos objetos distintos dimetros y/o espesores mediante el uso del

tornillo micromtrico.

TEORA

Se define como apreciacin a la mnima lectura precisa que puede realizarse con uninstrumento de media. Viene dada por:

(1)Una lectura es ms precisa si existe mayor nmero de divisiones en dos puntos de la

escala; luego cuando lo que se desea es realizar medidas de gran precisin, lo que serequiere es que la escala debe estar dividida en ms partes. Esto tiene limitaciones, ya que

al aumentar lneas de divisin es ms difcil hacer la lectura por lo pequeo de aquellas.

El problema fue solucionado con la invencin de instrumentos de dos escalas, como

son el vernier y el tornillo micromtrico, los cuales tienen una mayor apreciacin y son

fciles de leer.


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La segunda regla graduada se conoce con el nombre de nomio y permite aumentar la

exactitud de la medicin (apreciacin de la lectura) de la misma en 10 a 50 veces. Es

importante observar que de nueve divisiones de la escala graduada, el nomio presenta 10

divisiones; sin embargo, se pueden construir de otra manera, siempre que el nmero delnomio coincida con un nmero menor de divisiones de la regla principal tendremos un

vernier directo, en caso contrario se llama vernier retrgrado. La apreciacin de este tipo de

instrumentos viene dada por:

(2)Para la determinacin de la apreciacin de la regla principal (AR) de un vernier se

procede igual que con la frmula de apreciacin (1); mientras que para determinar la

apreciacin del nomio (Ar) se determina dividiendo la longitud del nomio entre el nmero

de divisiones de la misma. Por ejemplo el vernier que trabaja en centmetros tenemos queAR= 1mm mientras que el nomio est divido en 10m partes en una longitud que cubre

9mm; luego Ar= 9/10mm; la apreciacin del instrumento ser:

( ) Para realizar una lectura con vernier, se hade proceder primero cerrando el

instrumento de manera confirmar si est

bien calibrado, esto es que la reglaprincipal y el nomio coincidan en cero.

Posteriormente se desliza la plantilla mvil

y se introduce el objeto a medir; se cierra el

instrumento suavemente hasta que ajuste,sin presionar, y se procede a leer la medida,

los centmetros y milmetros se miden en la

regla principal, mientras que las dcimas de

milmetro corresponde al valor de la escaladel nomio que coincide con la regla

principal. Figura N 2. Medida realizada con el vernier


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Para el ejemplo de la figura N 2 tenemos que el cero del nomio se ubica a la derecha

de los 19 mm de la regla principal, mientras que la lnea del nomio que coincide con la de

la regla principal es la sexta, luego la lectura es: 19,6 mm.

El tornillo micromtrico es un instrumento de mayor sensibilidad (apreciacin) que el

vernier, generalmente aprecia centsimas de milmetros y es usado para determinarespesores y dimetros con bastante precisin. Sobre la escala fija se determinan losmilmetros, mientras que en el nomio se registran las dcimas y centsimas de milmetros.

Para determinar la apreciacin del tornillo micromtrico, se divide el paso del tornillo(el paso corresponde a la distancia en la regla principal que ha recorrido el tornillo cuando

el cilindro avanza o retrocede una vuelta completa), entre el nmero de divisiones el

tambor.

(3)

PARTE I: PRE-LABORATORIO

1. Dadas las siguientes figuras, determinar la apreciacin de cada escala dibujada yexpresar la medida correspondiente a las flechas indicadas, exprese sus resultados en

forma decimal para los casos a, b y c; y en forma de quebrados parte la parte d.

Figura N 3 Escalas varias


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2. Definir los siguientes conceptos: apreciacin, cifras significativas, notacin cientfica.Error, error absoluto, mximo error absoluto, error relativo, error porcentual y precisin

de una lectura.

3. Determine la apreciacin de los siguientes instrumentos, cuyas lecturas superior,

inferior y nmero de divisiones se indica a continuacin.

a. Ls = 2 pulgadas Li= 0 pulgadas n de divisiones = 8b. Ls = 0,1 litros Li= 0,02 litros n de divisiones = 4c. Ls = 28 metros Li= 2 metros n de divisiones = 52

4. Indique a continuacin el nmero de cifras significativas de las siguientes cantidades,exprese en la notacin cientfica correspondiente y determine su orden de magnitud.

a. 3025,2 m b. 0,013 litros c. 805 Kelvinsd. 18,310 seg e. 5808,0 mili amp f. 0,025 m/seg

g. 0,13030 Kg h. 0,350 gr i. 1000,0 gr

5. Dadas las siguientes lecturas y la apreciacin del instrumento con que se determinaron,calcule el mximo error absoluto, el error elativo, el error porcentual y la precisin enporcentaje de cada lectura.

a. Distancia = 120,3 cm; A = 1 cm b. Temperatura = 31,0 C; A = 1 Cc. Volumen = 25 ml; A = 5 ml d. Rapidez = 95 Km/h; A = 5 Km/he. Tiempo = 10,15 seg; A = 0,2 seg f. Caudal = 5860 m /seg; A = 80 m /seg

6. Los datos que se muestran a continuacin corresponden al dimetro (en milmetros) deun cilindro largo, medido en varios puntos. Determinar el valor medio del dimetro y elerror de la lectura, usando mtodos estadsticos.

10,2 11,2 10,8 10,5 10,4 10,3 10,9 11,1

11,0 11,2 11,0 10,7 10,8 10,7 10,4 10,6

10,7 10,6 10,9 10,8 11,0 10,5 10,6 10,9

7. Asumiendo que la longitud del cilindro anterior es de (40,8 0,5) mm; determinar lamagnitud del volumen y la superficie total del cilindro; as como el error de volumen y

de superficie.

8. Si una probeta de capacidad 10 ml la queremos graduar de tal manera que aprecie 0,2ml, cuntas divisiones tendramos que hacerle?

9. Cul es la apreciacin de un vernier si su nomio mide 19 mm y tiene 20 divisiones, laregla graduada aprecia 1mm?


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10.Cul es la apreciacin de un tornillo micromtrico si al dar 10 vueltas avanza 5 mm yel tambor tiene 50 divisiones?

11.En cuntas partes est dividido un tambor de un tornillo micromtrico, si suapreciacin es de 0,05 mm y su paso (1 vuelta) es de 1 mm?

12.Cul ser la mxima lectura que podemos hacer con una regla graduada que aprecia0,5 cm, si tiene 80 divisiones?

PARTE II: LABORATORIO

Ejercicio N 1. Reconocimiento de diferentes aparatos de medicin

El supervisor del ensayo deber colocar a cada grupo participante una serie deaparatos de medidas, e indicarles las normas correspondientes para el uso de los mismos;

finalizada dicha introduccin, los grupos debern llenar la tabla inferior, indicando el

nombre del instrumento de medida, la cantidad (dimensin fsica) que mide, su patrn ounidad, y su apreciacin.

Tabla N 1. Aparatos de medidaNombre Cantidad que mide Unidad Apreciacin

Ejercicio N 2. Uso del vernier (pie de rey)

Despus que el supervisor haya revisado su instrumento calibrado, cadaparticipante, de cada grupo, proceder a determinar la longitud y dimetro de un clavo,

monedas, u otro objeto cilndrico y colocar sus resultados en la tabla anexa.

Tabla N 2. Datos del cilindroLongitud (cm) Dimetro (cm)


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Ejercicio N 3. Uso del Tornillo Micromtrico

Despus que el supervisor haya revisado su instrumento calibrado, cada

participante, de cada grupo, proceder a determinar el dimetro de un objeto esfrico (comometras, balines, etc.) en milmetros y colocar sus resultados en la tabla anexa.

Tabla N 3. Dimetro de la esferaDimetro (mm)

Ejercicio N 4.Uso del Vernier y Tornillo Micromtrico

Ahora, cada participante, de cada grupo seleccionar un de otra forma geomtrica

(diferente a cilindro y esfera) y proceder a determinar sus dimensiones y colocar losresultados en la tabla anexa. En base al objeto seleccionado, el estudiante deberseleccionar el instrumento apropiado para la medicin as como la unidad correspondiente.

Tabla N 4. Datos del______________Longitud 1 Longitud 2 Longitud 3

PARTE II: POST-LABORATORIO

Ejercicio N 4: Determinar el valor medio y el error de las longitudes medidas.

Con los datos de las tablas 2,3 y 4, el participante ha de determinar el valor medio yel error de las lecturas aplicando mtodos estadsticos correspondientes.

Ejercicio N 5: Determinar el valor medio y el error de volmenes.

En base a los resultados anteriores, determinar el volumen del cilindro y las esferas

as como la medida de su error, aplicando correctamente los criterios de teora del error.


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DENSIDAD Y PESO ESPECFICO

Adaptacin del Experimento N 2 de la Gua de Ensayos y Teora del Error del profesor Ricardo


Materiales:

Cilindros graduados variosVernier RectilneoTornillo MicromtricoBalanzasDinammetrosAgua

AlcoholGlicerinaSlidos de geometra definida y slidos amorfos

Tornillos micromtricoSlidos geomtricamente definidos

OBJETIVOS

Al finalizar el ensayo el participante ha de estar en capacidad de determinar paradiferentes cuerpos su densidad y/o peso especfico. Para ello debe ser capaz de:

Definir y diferenciar entre densidad y peso especfico Enunciar el principio de Arqumedes Determinar la densidad de slidos de figuras geomtricamente definidas o amorfos Determinar la densidad de diferentes lquidos Determinar el peso especfico de slidos, aplicando el principio de Arqumedes

TEORA

Solemos decir el hierro es ms pesado que el aluminio, sin embargo esta afirmacin

no es correcta, pues siempre podemos tener un trozo de aluminio que pese lo mismo o ms

que el hierro, pero entonces el aluminio ocupar un volumen mayor que el hierro. Paraaclarar y simplificar expresiones como la anterior se utiliza la definicin de peso especfico,

que se define como el cociente entre el peso de un cuerpo entre el volumen que ocupa.

(1)

El peso sin embargo no es una cantidad absoluta, depende del valor de la gravedaddel sitio donde se realiza la medicin; por ello se suele medir generalmente la relacin entrela masa y el volumen de un cuerpo, definida como densidad:

(2)


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La masa se determina por medio de balanzas, mientras que para medir el peso

requerimos uso de dinammetros. El volumen de slidos se puede determinar por dos

formas, si el objeto tiene figura geomtrica conocida podemos determinar sus dimensiones

y calcular su volumen. Caso diferente se requiere para determinar el volumen de cuerpos noregulares, en este caso se suele sumergir los objetos dentro de tubos de medida y se

determina el incremento de volumen.

Lo anterior es vlido siempre que y cuando el cuerpo sumergido tenga mayor

densidad que la del lquido en que se sumerge, ello se debe a que est afectado por el

Principio de Arqumedes que se expresa:

Todo cuerpo sumergido en un lquido experimenta una fuerza de empuje igual en

mdulo al peso del lquido desplazado

(3)

Si un cuerpo flota sobre un lquido, entonces su densidad es menor que la del lquido;si por el contrario, se hunde, su densidad es mayor que la del lquido; y si permanece en el

seno del lquido, entonces las densidades son iguales.


1. Si el peso especfico del alcohol es de 0,8 Kg-f/m3, qu volumen ocupan 8000kilogramos fuerzas

2. El peso especfico del hierro es de 7,5 gr-f/cm3, mientras que el peso especfico del oroes 1900 Kg-f/m

3. Comprueba a partir de estos datos que el peso especfico del oro es

mayor que el peso especfico del hierro.

3. El peso especfico de la plata es de 10,5 gr-f/cm3, cunto pesa un trozo de plata de 20cm

2de base y 5 cm de altura si tiene forma prismtica?

4. Un centmetro cbico de alcohol pesa menos que 1 cm3de agua; luego 1 cm3de alcoholocupa menos volumen que un centmetro cbico de agua.

5. La densidad del Oro es mayor que la densidad del cobre, entonces 1 Kg de oro ocupamenos volumen que 1 kg de cobre.

6. La densidad del agua es de 1 gr/cm3, mientras que su peso especfico es de 1 gr-f/cm3;por lo tanto la densidad del agua es igual al peso especfico de la misma.

7. Cunto vale el empuje que experimentan una piedra y un trozo de hierro al sumergirlosen el agua, si en aire pesan 140 gr-f y 300 gr-f respectivamente, mientras que el aguapesan respectivamente 110 gr-f y 270 gr-f.


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8. Si los cuerpos del problema anterior se sumergen en alcohol de densidad 0,8 gr/cm 3,qu empuje experimentan cada uno?

9. Calcular el peso especfico de la gasolina sabiendo que un esfera sumergida en ella pesa336 gr-f, siendo la densidad de la esfera 4gr/cm

3y su volumen 100 cm

3.

10.Un trozo de madera de 0,7 gr/cm3flota en el agua. Si su rea basal mide 300 cm 2y sualtura es de 40 cm, qu altura sobresale?

11.Un cuerpo de volumen 200 cm3pesa 300 gr-f. determine si flota o se hunde cuando sesumerge en glicerina de densidad 1,2 gr/cm

3.

12.Un trozo de hielo de densidad 0,918 gr/cm3flota en agua teniendo fuera del agua unaaltura de 5 cm. Calcular la altura total del hielo suponiendo que sea de forma

prismtica.


Ejercicio N 1. Determinacin de la densidad de cuerpos geomtricos definidos

El supervisor del ensayo deber entregara a los participantes uno o dos objetos deforma conocida, (prismas rectangulares, cilindros, esferas, etc), luego haciendo uso del

vernier o tornillo micromtrico y de las balanzas, han de determinar las dimensiones del

cuerpo y la masa del mismo, (se recomienda un mnimo de seis lecturas para cada longitud

a fin de determinar errores). No olvidar la apreciacin de la balanza.

Tabla N 1 Dimensiones de objeto geomtrico conocidos

Objeto N 1: Masa: Aprc balanza:Longitud (1) Longitud (2) Longitud (3)

Objeto N 2: Masa: Aprc balanza:

Objeto N 3: Masa: Aprc balanza:


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Ejercicio N 2. Determinar la densidad de Slidos amorfos.

Dada una serie de objetos de formas variadas (clavos, tuercas, piedras, trozos demadera, corcho, etc) determinar la densidad de los mismos. Para ello primero debe

seleccionar uno de los materiales, tomar uno de los objetos de ese material y medir su masa

en una balanza (anotar en la tabla inferior); luego sumergir el objeto en un cilindro

graduado (previa lectura del nivel) y medir el incremento del nivel (anotar el volumen delobjeto en la tabla inferior); repetir el procedimiento con el objeto original y otro ms del

grupo; hacer esto hasta acabar todos los objetos del mismo material. Proceder a realizar los

mismos pasos con otro material diferente. En el caso de que el objeto flote, hacer uso de

una aguja o alfiler a fin de sumergirlo totalmente y poder realizar la lectura.

Tabla N 2 Masa y volumen de cuerpos amorfosMaterial: Material: Material:lectura masa volumen lectura masa volumen lectura masa volumen

1 1 12 2 23 3 34 4 45 5 56 6 6

Apreciacin de la balanza:_____________; apreciacin del cilindro graduado:__________

Ejercicio N 3. Determinar la densidad de Slidos amorfos.

Dado una serie de lquidos diferentes (agua, alcohol, glicerina, aceite, etc.) mida

cinco o seis volmenes diferentes y determine su masa; no olvidar para ello medir la masadel recipiente. Tabule sus resultados en la tabla siguiente.

Tabla N 3 Determinar la densidad de lquidosLquido: Lquido: Lquidolectura masa volumen lectura masa volumen lectura masa volumen

1 1 12 2 2

3 3 34 4 45 5 56 6 6

Masa del recipiente:________Apreciacin de la balanza:_____________

Apreciacin del cilindro graduado:__________


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Ejercicio N 4. Peso especfico por Principio de Arqumides

Dado los objetos del ejercicio N 1 y algunos del ejercicio N 2, determinar su peso,

en el aire y sumergido en el agua, haciendo uso de un dinammetro; anotar previamente latemperatura del agua para buscar su peso especfico en tablas. No olvidar anotar la

apreciacin del instrumento para los clculos de error.

Tabla N 3 Determinar la densidad de lquidosMaterial Peso en el aire Peso en el agua

Apreciacin del Dinammetro:________________

Temperatura del agua:_______________

PARTE III: POST-LABORATORIO

Ejercicio N 5: Determinar densidad y error de objeto de forma regular

Con los datos de la tabla N 1 el participante ha de determinar la densidad de los

objetos y el error de la misma; aplicando la ecuacin N 2. Resuma los resultados en la

tabla mostrada a continuacin.

Tabla N 5 Densidad y error relativo porcentual de slidos de geometra conocida

Objeto Densidad promedio (gr/cm ) %ErN 1:N 2:N 3:

Ejercicio N 6: Determinar densidad y error de objeto de forma irregular

Con los datos de la tabla N 2 y N 3 el participante ha de determinar la densidad de

los objetos, para ello ha de graficar en una sola hoja de papel milimetrado o en formato de

Microsoft Excel (a fin de observar bien la diferencia de pendientes de los diferentes

materiales) relacin entre las masas en funcin del volumen y determinar por mtodo de

mnimos cuadrados las pendientes de las rectas formadas. Sugerencia: si utiliza el softwareMicrosoft Excel, puede presentar automticamente la ecuacin de la recta de ajuste.

Ejercicio N 7: Determinar peso especfico de diferentes objetos

Con los datos de la tabla N 4 el participante ha de determinar el peso de los objetos,para ello ha de aplicar la siguiente relacin:


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COMPOSICIN Y DESCOMPOSICIN DE FUERZAS

Adaptacin del Experimento N 4 de la Gua de Ensayos y Teora del Error del profesor Ricardo


Materiales:

Mesa de fuerzaJuego de pesas variasRegla, comps y transportador

OBJETIVOS

Al finalizar el ensayo el participante ha de estar en capacidad de confirmar, aplicando

suma de vectores, que la fuerza es una cantidad vectorial. Para ello ha de ser capaz de:

Determinar experimentalmente la fuerza equilibrante de un sistema de fuerzasconcurrentes en un punto

Determinar distintas componentes rectangulares de una fuerza

TEORA

La interaccin entre los distintos objetos de la naturaleza se observa en partculascuando estas modifican su estado de reposo o de movimiento; la causa de esta interaccin

se conoce como fuerza. Si las lneas de accin de varias fuerzas se cortan en un mismo

punto hablamos de fuerzas concurrentes; la suma vectorial de todas estas fuerzas se conocecomo fuerza resultante, y es proporcional a la masa y a la aceleracin que experimenta un

objeto. Un sistema est en equilibrio esttico si la magnitud de la fuerza resultante es nula.

La fuerza que equilibra el sistema se conoce como fuerza equilibrante y es igual en

magnitud y direccin, pero opuesta en sentido a la resultante de varias fuerzas concurrentesen un punto.

Figura N 1

Para analizar la naturaleza vectorial de las fuerzas haremos uso de la mesa de fuerza,que consiste en un crculo horizontal graduado (en grados) sobre cuyo borde deslizan

cuatro cursores solitarios con sendas poleas. Estas sirven para concentrar en un anillo las

fuerzas debidas a varias pesas sobre el centro del crculo. Se supone despreciable el roce


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entre las cuerdas y las poleas de los cursores, por tanto las tensiones de cada cuerda son

iguales a los pesos que soporta cada cursor.


13.Dos vectores de 5 y 8 unidades de longitud forman entre s un ngulo de 45,determinar la magnitud del vector resultante y direccin respecto al ms pequeo.Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, comps y transportador, y determine la

magnitud de la resultante y su direccin con ayuda de la regla y transportador, compare

sus resultados por ambos mtodos.

14.Determinar el ngulo entre dos vectores de 8 y 12 unidades de longitud tal que su vectorresultante tiene magnitud de 10 unidades. Realice un dibujo a escala con ayuda de regla,

comps y transportador, y determine el ngulo entre los vectores con ayuda de estos

instrumentos de dibujo.

15.Dos vectores forman un ngulo de 120, uno de ellos tiene 10 unidades de longitud yhace un ngulo de 45 con respecto a la resultante de la suma de ambos. Determinar lasmagnitudes del otro vector y de la resultante. Realice un dibujo a escala con ayuda de

regla, comps y transportador, y determine la magnitudes de otro vector y de vector

resultante con ayuda de estos instrumentos de dibujo.

16.El vector resultante de la suma de dos vectores tiene 10 unidades de longitud y hace unngulo de 30 con uno de los vectores componentes, el cual tiene una magnitud de 12unidades. Determinar magnitud del segundo vector y el ngulo entre los vectores que se

suman. Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, comps y transportador, y

determine la magnitudes del otro vector y su ngulo con ayuda de estos instrumentos de

dibujo.

17.Determinar el ngulo entre dos vectores de 4 y 6 unidades de longitud, cuando laresultante forma un ngulo respecto al primer vector de 60. Cul es la magnitud delvector resultante? Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, comps y

transportador, y determine el ngulo entre los vectores y la magnitud de la resultante

con ayuda de estos instrumentos de dibujo.

18.El vector resultante de dos vectores tiene una magnitud de 15 unidades y forma nguloscon respecto a sus vectores sumando de 30 y 45; determinar las magnitudes de los dos

vectores sumandos. Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, comps y

transportador, y determine las magnitudes de los vectores con ayuda de estosinstrumentos de dibujo.


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Ejercicio N 1. Determinacin de la fuerza equilibrante de dos fuerzas

Monte el aparato, coloque la mesa en posicin horizontal. Previa asignacin de las

fuerzas y direcciones de las mismas por parte del supervisor, los participantes del grupo hande ubicar en dos de los cursores en las direcciones (ngulos) sealados y colocar en el portamasa de cada polea correspondiente los pesos indicados (debe considerar el peso previo del

porta masa que es de 5 gr-f). No olvidar colocar, en esta etapa, dentro del anillo central

donde estn atadas las cuerdas un sujetador que la fija al centro, a fin de evitar que elsistema deslice.

Se procede a colocar pesos en la tercera polea y se desliza el tercer cursor hasta que el

anillo central se separe del sujetador del centro de la mesa y quede centrado y en equilibrio

con el mismo. Para confirmar sus resultados quite el sujetador central y mueva ligeramenteel anillo de su posicin de equilibrio. Si este vuelve a la misma, el sistema est en

equilibrio.

Proceda a anotar en la tabla inferior todos los datos del ejercicio, y para medir el error

en magnitud de la equilibrante, aumente o reduzca pesos en el porta masa hasta que pierda

el equilibrio y para el error de direccin deslice a ambos lados de la direccin de equilibrioel cursor hasta perder el equilibrio.

Tabla N 1 Mdulo y direcciones de Fuerzas concurrentes en un puntoFuerza Mdulo (gr-f) Error de mdulo (gr-f) Direccin () Error de ngulo ()

F1F2

F equilibranteNota: para el error del mdulo y direccin para las fuerzas F1 y F2 asuma los erroresmximos absolutos.

Ejercicio N 2. Composicin de una fuerza en dos componentes perpendiculares

Monte el aparato, enumerando por conveniencia los cursores del 1 al 3, coloque el

cursor n 1 en la posicin 180 y el peso asignado por el supervisor. No olvides colocar el

sujetador en el centro del anillo para evitar deslizamiento del sistema,

A continuacin coloque los cursores n 2 y n 3 en el primer y cuarto cuadrante

respectivamente. De tal forma que formen entre s un ngulo de 90. Y aada pesos a las

poleas 2 y 3 de tal forma que el sistema se equilibre. Recuerde que los porta masa pesan 5

gr-f.

Cambie dos o tres veces el ngulo que forman los cursores n 2 y n 3 con respecto al

sistema de referencia (0) pero mantenga un ngulo entre ambos de 90 y repita el pasoanterior. Anote sus resultados en la tabla inferior.


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Tabla N 2 Composicin de una fuerza en dos componentes perpendicularesMdulo F1: ngulo 1 (1) = 180

Mdulo F2 Mdulo F4 ngulo 2 (2) ngulo 3 (3) | 2+3| = 90

PARTE III: POST-LABORATORIO

Ejercicio N 3: Verificacin de los resultados de la fuerza equilibrante

A partir de los datos de la tabla N 1 determinar las componentes de los vectoressumados (F1 y F2), as como los errores de dichas componentes. Realice la suma de las

componentes y determine la magnitud y direccin del vector resultante, as como los

errores correspondientes. Compare sus resultados analticos con los experimentales, no

olvide que la resultante es igual en magnitud y opuesta en sentido a la equilibrante.

Dibuje, a escala, los vectores sumados y determine de forma grfica la magnitud y

direccin de la resultante. Compare sus resultados grficos con los experimentales.

Se recomienda el clculo de errores mediante el error relativo porcentual mediante las

siguientes expresiones:

| | (1)

| | (2)

| | (3)

| | (4)

Ejercicio N 4: Verificacin de los resultados de la composicin

A partir de los datos de la tabla N 2, llenar la siguiente tabla:


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Tabla N 3 Verificacin de componentes de una fuerzasF1 =

2 F2 F3cos(2) =sen(3)

sen(2) =cos(3)

F1* cos(2) F2* cos(2)

Compare resultados de las columnas 6,7 y 8 con los valores de F2, F3 y F1

respectivamente.

Dibuje a escala, para cada caso medido en el ejerci n 2, los vectores componentes y

determine la magnitud y direccin de la resultante. Compare el valor de F1y su direccin.


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Universidad de Oriente

Ncleo de Bolvar

Unidad de Estudios Bsicos

Departamento de Ciencias

Area de Fsica

Laboratorio de Fsica I

FUERZA DE FRICCIN CINTICA Y SEGUNDA LEY DE NEWTON

Introduccin

La presente prctica es la experiencia de aplicacin de la Segunda Ley de Newtona una Mquina de Atwood especfica. La prctica es digital, con equipos de lamarca PASCO (www.pasco.com)y software denominado DataStudio. Se divide endos momentos: la determinacin de la fuerza de friccin entre la rampa y lasruedas del mvil, y la aplicacin de la Segunda Ley de Newton a travs delDiagrama de Cuerpo Libre. La temtica corresponde a la Unidad N 6 de laasignatura Fsica I.

Objetivo General

Enunciar la Segunda Ley de Newton a partir de la relacin de la aceleracin, lafuerza neta y la masa total en una Mquina de Atwood.

Objetivos especficos

Determinar la fuerza de friccin de la rampa y las ruedas del mvil. Analizar la relacin de la aceleracin, la fuerza neta y la masa total,

obtenidas experimentalmente.

Comparar la fuerza neta experimental promedio con la calculada. Comparar la aceleracin terica con la experimental.

Equipos necesitados

Carro dinmico. Rampa, con soportes y topes. Juego de hangares y pesas.
http://www.pasco.com/http://www.pasco.com/


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A partir del diagrama de cuerpo libre del sistema (Fig. N 2)

M: Fx= Ma

T Ff = Ma (1)

m: Fy= ma

mg T = ma (2)

mg Ff = (m + M) a

ater. = [(mgFf) / (m + M)] (3)

Fnetater. = mgFf (4)

Mtotal= m + M (5)

Ff:Fuerza de friccin

T: Tensin de la cuerda

Mg: Peso de la masa colgante

M:Masa del carro dinmico + sensor de fuerza

m: masa colgante

a: Aceleracin del sistema

Fig. N 2. Diagrama de cuerpo libre del sistema

x

y

x

y

T

T

mg

M

m

Ff

a


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Es de destacar que para alcanzar la ecuacin N 3, se hace necesario, en aras desimplificar significativamente los pasos para alcanzarla, realizar el siguientedeterminismo: asumir que la polea es de friccin y masa insignificantes, y el hilo esinextensible y de masa despreciable. Ello permite asumir, con un nivel de errorpoco significativo, que la tensin y la aceleracin son iguales a lo largo de toda la

cuerda. Este error, sin embargo, estara presente a la hora de analizar los erroresa partir de los resultados comparativos.

Procedimiento

La experiencia de laboratorio se dividir en dos partes En una primera fase sedeterminar la fuerza de friccin de la rampa. En la siguiente fase, se compararnla aceleracin experimental con la terica y la fuerza neta experimental media conla calculada. Estas comparaciones permitirn demostrar la Segunda Ley deNewton, por un lado, y por el otro, enunciarla, con lo que se responder lapregunta implcita establecida en el objetivo general, el cual se registrar comoconclusin del informe junto a las posibles causas de los errores.

En ambas partes se utilizar las experiencias de laboratorio asistidas porcomputadora, con el apoyo del hardware de PASCO (la Interface 750 y lossensores de movimiento y de fuerza) y su software DataStudio. El programaDataStudio registrar el valor la tensin de la cuerda en la primera fase, medidacon el sensor de fuerza, en reposo, as como la aceleracin experimental(pendiente de la grfica velocidad vs tiempo) y la fuerza neta experimentalpromedio, en la segunda. La aceleracin se registrar a partir del sensor demovimiento (la velocidad instantnea en el tiempo), por un lado, y por el otro, lamedicin de la fuerza neta promedio con el uso del sensor de fuerza.

Montaje de los equipos y acceso al programa

1. Una vez conectada y encendida la computadora de mesa, se conecta lainterface al CPU y se enciende.

2. Se realiza el montaje de la prctica tal como aparece en la figura N 1.3. El conector terminal de cable del sensor de fuerza se conecta al canal

analgico A.4. Los terminales de cable del sensor de movimiento se conectan en los

canales digitales 1 y 2 de la interface (el cable amarillo se conecta en elcanal 1).

5. Se accede al programa DataStudio en el escritorio hacindole un click.6. Se abre una ventana con cuatro opciones, teclear la opcin de CREAR

EXPERIMENTO.7. Se abre una ventana que representa a la interface. Hacer un click en el

canal analgico A. Aparecer las opciones de sensores a escoger. Teclearla opcin SENSOR DE FUERZA.

8. Hacer click en el canal digital 1. Aparecern las opciones de sensores aescoger. Teclear la opcin SENSOR DE MOVIMIENTO.


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Experimento

1. Se realiza el montaje de la Mquina de Atwood mostrado en la figura 1. Sepulsa el botn TARE del sensor de fuerza para incluir la masa del hangarcolgante.

2. Se mide la masa del carro dinmico incluido el sensor de fuerza. Se registrael valor de la masa, M, en la tabla N 1.3. Del set de pesas y hangares, tomar una pesa con la suficiente masa para

templar el hilo y mover el mvil, y colocar sta en el hangar. Registrar elvalor de la masa de la pesa, m, en la tabla N 1.

4. Una vez tensado el hilo, retener el movimiento del carro dinmicocolocando un tope que evite su movimiento.

5. En el software, teclear donde dice MEDIDOR DIGITAL (parte inferiorizquierda del monitor) y luego hacer click en fuerza. Aparecer en el monitorun dinammetro digital.

6. Registrar el valor de la tensin de la cuerda en la Tabla N 1.7. En la parte inferior izquierda del monitor, ubicar y teclear la opcin

GRFICA; luego teclear la opcin velocidad. Aparecer en el monitor lagrfica velocidad vs tiempo.

8. Ubicar y teclear la opcin TABLA, establecer la fuerza como medida, ascomo sus estadsticas.

9. Manteniendo la masa original de la pesa colgante, preparar el movimientodel carro dinmico. El punto inicial del movimiento se ubicar a unadistancia mnima de 40 cm del sensor de movimiento, cuya pantalla debeapuntar al carro dinmico.

10. Comprobar que la cuerda tenga la suficiente longitud para que, una vez queel carro dinmico se ubique en el punto de lanzamiento, el hangar seubique cercano a la polea.

11. Ubicar en el parte superior izquierda del monitor el men INICIO. Procurarcoincidir el lanzamiento del carro dinmico con el tecleado de dicho botn.

12. Se teclea el men INICIO, se libera el movimiento del carro, y antes de queste colisione con la polea, teclear el men DETENER. Se recomiendacolocar un tope cercano a la polea, para evitar el choque del carro dinmicocon la misma. Aparecer un trazado en la grfica velocidad vs tiempo. Si eltrazado es una lnea recta se traza, mantener el botn derecho del ratnpulsado, establecer un rectngulo que rodee la seccin recta del trazado.Una vez cubierto la recta a analizar, se teclea el men ESTADSTICA(Statistics) y luego el de GRFICA LINEAL (Linear Fit) ubicado en dichomen. Aparecer en el monitor la pendiente y su error. Solo se registrar elvalor de la pendiente, el cual representa la aceleracin experimental delsistema. Se registrar en la tabla N 1.

13. Se registrar tambin el valor medio mostrado en la tabla correspondienteal sensor de fuerza, el cual representa la fuerza neta experimentalpromedio, en la tabla N 1.


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Anlisis de los datos

1. A partir de los valores registrados de la tensin de la cuerda y laaceleracin experimental, se determinar el valor terico de la fuerza defriccin de la rampa utilizando la ecuacin N 1.

2. Se calcula la fuerza neta terica utilizando la ecuacin N 4.3. La fuerza neta terica se compara con la experimental promedio, a travsde la ecuacin:

%Er = [(Fnetaexp.Fnetater.) / Fnetater.] * 100

4. Se calcula la masa total del sistema utilizando la ecuacin N 55. Se calcula la aceleracin terica utilizando la ecuacin N 3.6. La aceleracin experimental se compara con la aceleracin terica a travs

de la ecuacin:

%Er = [(aexp

.ater

.) / ater

.] * 100

Los valores medidos y calculados se registrarn en la tabla N 1.

TABLA N 1. REGISTRO DE MEDICIONES Y C LCULOSItem Valor

Tensin de la cuerda (T) NMasa del carro dinmico y sensor de fuerza (M) Kg

Masa de la pesa colgante (m) Kg

Masa total del sistema (Mtotal) KgFuerza neta experimental promedio (Fnetaexp.) NFuerza neta terica (Fnetater.) N

Aceleracin experimental (aexp.) m/sAceleracin terica (ater.) m/s

Preguntas

Cul es la diferencia porcentual de los valores de la fuerza neta terica y

experimental promedio?

Cul es la diferencia porcentual de los valores de la aceleracin terica y laexperimental?

Cules son las posibles razones para las diferencias encontradas?

Prof. Ramn H. Martnez Z.


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CONSERVACION DE LA ENERGIA MECANICA

EQUIPOS REQUERIDOS.

Pista de Montaa Rusa (Roller Coaster)

CarroMasas

FotocompuertasMetroBalanza

OBJETIVOS.

Al finalizar la prctica, el estudiante debe estar en la capacidad de:

* Utilizar el Sistema de Fotocompuerta y el Programa DataStudio para registrar la velocidad delcarrito en diversos puntos de la pista.

* Determinar la Energa Cintica y la Energa Potencial gravitatoria del carrito en diversos puntosde la pista.

* Demostrar el Principio de Conservacin de la Energa Mecnica.

TEORA.

La conservacin de la energa es un principio fundamental de importancia crucial en la fsica. En unsistema pueden distinguirse dos tipos de fuerzas: conservativas y no conservativas. Se dice que unafuerza es conservativa si el trabajo que efecta depende nicamente de las posiciones inicial y final

del objeto y no de la trayectoria seguida. La fuerza de gravedad es un ejemplo de fuerzaconservativa. Por su parte, la friccin es un ejemplo de una fuerza no conservativa, pues su trabajo

depende de la trayectoria seguida por el objeto. Las fuerzas conservativas se distinguen por laposibilidad de almacenar energa a partir de la configuracin de las partes del sistema. La energaalmacenada de esta manera es llamada energa potencial. En el caso de la fuerza de gravedad, la

energa capaz de almacenar recibe el nombre de energa potencial gravitatoria. (Ep)

Ep = mgh

En cualquier sistema aislado de objetos que interactan por fuerzas conservativas, la energa puedeser convertida de cintica a potencial y viceversa, pero la suma de estas permanece constante. LaEnerga Cintica viene dada por la expresin:

Ec = m V2

Si solamente actan fuerzas conservativas sobre un cuerpo en movimiento, la suma de la energacintica (Ec) y la energa potencial (Ep) permanece constante. La suma de la energa cintica y la

energa potencial de un cuerpo, en un punto dado, se denomina Energa Mecnica total del cuerpoen dicho punto (EM).

EM = Ec + Ep


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Acerca de la Montaa RusaLa pista de la Montaa Rusa es un accesorio del Sistema PASCO para las prcticas digitalizadas delLaboratorio de Fsica. Con este accesorio es posible armar diversas configuraciones de pistas sobre

las que pueden desplazarse los carritos. El uso de la Montaa Rusa permite demostrar interesantesprincipios fsicos, entre ellos el Principio de Conservacin de la Energa Mecnica. La Pista deMontaa Rusa est conformada por tres paneles o lminas de instalacin que tienen varios orificios

a travs de los cuales pueden insertarse las varillas que a su vez sirven como elementos de sujecindel riel plstico sobre el cual se desplazarn los carritos.

PARTE I: INSTALACIN DE LA PISTA.

1. Realice el montaje de la configuracin tipo colina que aparece en la siguiente figura:

Para este montaje debe unir los tres paneles de la montaa rusa, dejando en el medio del panel msangosto.

2. Coloque las portavarillas en los orificios de los paneles que seala la figura y asegrelos en laparte trasera de los paneles con su respectiva arandela.3. Inserte las varillas azules en los orificios que ya tienen sus portavarillas.4. Estire el rollo de riel plstico y arme la pista iniciando en la parte terminal de la misma.

5. Inserte los clips en la parte inferior del riel y ajuste cada clip a su varilla correspondiente, de modque el riel quede bien asegurado.6. Coloque el dispositivo de freno en la parte terminal de la pista para que el carro no abandone elriel.7. Mida la masa del carro en la balanza.

8. Escoja tres puntos del recorrido donde desee medir la velocidad del carrito. Por ejemplo lospuntos B, C y D. En el punto A la velocidad inicial es cero, ya que el carrito se dejar caer desdeesa posicin.9. En los puntos seleccionados como B, C y D; coloque fotocompuertas para medir las velocidades.Para ello deber sustituir las varillas normales por las varillas especiales de fotocompuertas. Tome

en cuenta que la fotocompuerta debe estar perpendicular al riel en el punto donde desee medirse lavelocidad.

Nota: Si usted coloc los paneles sobre el mesn, considere entonces al mesn como su nivel dereferencia o de altura cero (h = 0m).10. Mida la altura de los puntos A, B, C y D; con respecto al nivel de referencia y registre sus datosen la siguiente tabla.

Punto del Recorrido A B C D

Altura (m)


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En la pantalla se despliega unaventana para escoger el Sensor

Digital.

Para esta prctica, seleccione la

opcin Fotopuerta y aceptar.

Dele un click a Constantes y coloque enlongitud del objeto: 0,1 metro (ya que el carritotiene una longitud de 10 cm). De un click aMedidas y slo deje activa la opcinVelocidad en la puerta canal 1.

MedidasConstantes

Longitud del Objeto

A continuacin haga un click en Canal Digital 2 de la lnea de canales, escoja la opcin fotopuerta.Dele un click a Constantes y coloque en longitud del objeto: 0,1 metro. Realice un click enMedidas y slo deje activa la opcin Velocidad en la puerta canal 2. Repita el mismo

procedimiento para el Canal Digital 3.

Observe que el ScienceWorckshop tiene 4 canales digitales por lo que es posible medir la velocidad

en otro punto del riel.

PARTE III: TOMA DE DATOS.

No es necesario calibrar las Fotocompuertas.

1. En la parte inferior del monitor, observe el men Pantallas y haga click en Medidor Digital.Escoja la Opcin Medidor Digital 1, el cual reportar la Velocidad en la Puerta Canal 1, que es la


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Velocidad en el Punto B. Realice otro click en Medidor Digital y escoja Medidor Digital 2.

Repita el procedimiento para el Medidor Digital 3. Los Medidores Digitales quedarn superpuestosen la pantalla. Arrastre con el ratn para que pueda observar los tres de forma simultnea.

2. Inicie la grabacin de datos dndole un click al botn de Inicioque est en la parte superior dela pantalla.

3. Coloque el carrito en el punto A, asegrese que la ruedita de la parte inferior del carro se inserte

en el orificio central del riel. Deje caer el carrito.

4. Detenga el registro de datos justo despus que el carrito concluya su ruta, haciendo un click en el

botn Detener (que est en el mismo lugar donde antes deca Inicio). No permita que el carro seregrese por la ruta ya que si no ha detenido el registro de datos, los sensores pueden detectar otras

velocidades.

5. Registre los datos en la tabla.

6. Repita la experiencia anterior pero aadindole una masa al carrito y luego aadindole dos

masas al carrito.

Es decir, usted va a realizar un total de tres corridas. En la primera de ellas, el carro no tiene masaadicional, en la segunda corrida el carro tiene una masa adicional y en la tercera, el carro tiene dosmasas adicionales. Recuerde medir la masa total del carro para cada una de las corridas.

Puntos del Recorrido A B C D

Altura (m)

CORRIDA 1. MASA: _______ gr

VELOCIDADES (m/s)

CORRIDA 2. MASA: _______gr

VELOCIDADES (m/s)

CORRIDA 3. MASA: _______gr

VELOCIDADES (m/s)

POST-LABORATORIO

Preguntas:

En base a la Corrida nro. 1, responda las siguientes cinco preguntas:

1. Determine la Energa Potencial Gravitatoria del carrito en el punto A.


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guÍas prÁticas de laboratorio de fÍsica i.docx

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