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FÍSICA

GUÍA DEL PROFESOR

SECRETARÍA DE EDUCACIÓN PÚBLICASUBSECRETARÍA DE EDUCACIÓN SUPERIOR E INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA

SUBSISTEMA DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICASCOORDINACIÓN GENERAL DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS

ELABORÓ: GRUPO DE DIRECTORES DE LA CARRERA DE BIOTECNOLOGIA REVISÓ: COMISIÓN ACADÉMICA NACIONAL DEL AREA

AGROINDUSTRIAL ALIMENTARIA

APROBÓ:COORDINACIÓN GENERAL DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS

FECHA DE ENTRADA EN VIGOR:

Revisión no. 0. Fecha de revisión: febrero, 2003. Página 1 de 49 F-CADI-SA-MA-38-GP-A

I. DIRECTORIO

DR. REYES TAMES GUERRA

SECRETARÍO DE EDUCACIÓN PÚBLICA

DR. JULIO RUBIO OCA

SUBSECRETARIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR E INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA

DR. ARTURO NAVA JAIMES

COORDINADOR GENERAL DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS

RECONOCIMIENTOSM. en C. ROMÁN LUNA ANAYA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL SUR

DEL ESTADO DE MÉXICO

FÍSICA D.R. 2003

ESTA OBRA, SUS CARACTERÍSTICAS Y DERECHOS SON PROPIEDAD DE LA: COORDINACIÓN GENERAL DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS (CGUT) FRANCISCO PETRARCA No. 321, COL. CHAPULTEPEC MORALES, MÉXICO D.F.LOS DERECHOS DE PUBLICACIÓN PERTENECEN A LA CGUT. QUEDA PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN PARCIAL O TOTAL POR CUALQUIER MEDIO, SIN AUTORIZACIÓN PREVIA Y POR ESCRITO DEL TITULAR DE LOS DERECHOS.

ISBN (EN TRÁMITE)IMPRESO EN MÉXICO.

ÍNDICE

NÜMERO CONTENIDO PÄGINA

I. DIRECTORIO Y RECONOCIMIENTOS 2

II. ÍNDICE 3

III. INTRODUCCIÓN DE LA ASIGNATURA 4

IV. UNIDADES TEMÁTICAS

UNIDAD 1. SISTEMAS DE UNIDADES Y DIMENSIONESUNIDAD 2. MECÁNICA UNIDAD 3. ELECTRICIDAD UNIDAD 4. MAGNETISMOUNIDAD 5. ELECTRÓNICA

57

101214

V. REFERENCIAS

VI. GLOSARIO

VII. ANEXOS (FIGURAS, TABLAS, ETC.)

1. Evaluación del curso, taller, materiales.

2. Resultados Finales de evaluación del aprendizaje

III. INTRODUCCIÓN DE LA ASIGNATURA

a Física está íntimamente relacionada con el quehacer diario de la Informática. Todos los

sistemas informáticos se componen de dos partes, el software y el hardware, y éste último se

diseña, fabrica, opera y mantiene de acuerdo a las Leyes Físicas.LEste Manual está preparado para el curso único de Física que se imparte en las Universidades

Tecnológicas. Al principio, se describen los Sistemas de Unidades y el uso de factores de conversión

para trasformar medidas entre ellos. La Mecánica Clásica se estudia con vectores, Estática, Cinemática

y Dinámica. Las cargas eléctricas en reposo y en movimiento se estudian en Electricidad y

Magnetismo, antes de estudiar Electrónica, parte final del Manual.

Al elaborar el Manual se consideró que el alumno comprende y maneja los conceptos fundamentales

del Álgebra, Geometría y Geometría Analítica; necesarios en todos los temas del Curso de Física.

IV CONTENIDOS TEMÁTICOSUNIDAD 1

SISTEMAS DE UNIDADES Y DIMENSIONES

INTRODUCCIÓN

El propósito de esta primera unidad de la asignatura de Física es que los alumnos conozcan los dos

sistemas de unidades de uso más frecuente en la actualidad, el Sistema Internacional y el Sistema

Inglés, así como la manera de convertir cantidades entre los dos sistemas.

Esta unidad esta integrada por 3 objetivos de aprendizaje que permitirán al alumno manipular las

conversiones entre los sistemas de unidades.

OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJE

1.- Conocer las características de los sistemas de medición de unidades.1.1 Definir el concepto de cantidad física.1.2 Analizar las unidades fundamentales de los sistemas de medición.1.3 Conocer instrumentos de medición.

DEMOSTRACIÓN DE HABILIDADES PARCIALES (RESULTADO DE APRENDIZAJE)

1.1.1 Diferenciar y explicar las diferentes características físicas de un objeto.1.1.2 Determinar diferentes cantidades físicas de un objeto con instrumentos de medición.


2. Conocer el Sistema Internacional de Unidades.2.1 Conocer las unidades básicas de longitud, masa y tiempo del Sistema Internacional de Unidades.2.2 Definir los prefijos que indican múltiplos de las unidades básicas.2.3 Conocer las unidades derivadas del Sistema Internacional de Unidades.


2.3.1 Convertir cantidades expresadas en unidades derivadas del Sistema Internacional, en múltiplos o submúltiplos de las mismas.


3. Conocer el Sistema Ingles de Unidades. 3.1 Conocer las unidades básicas de longitud, masa y tiempo del Sistema Inglés.3.2 Conocer las unidades derivadas del Sistema Inglés.


3.1.1 Convertir cantidades expresadas en unidades derivadas, en múltiplos de las mismas.3.2.1 Convertir cantidades expresadas en unidades de un sistema en las unidades del otro.

UNIDAD 2

MECÁNICA

INTRODUCCIÓN

El propósito de esta unidad de la asignatura de Física es definir la diferencia entre cantidades escalares

y vectoriales, y proporcionar al alumno los métodos para encontrar la resultante de la suma de vectores

en diferentes sistemas. Asimismo, el alumno será capaz de modelar y resolver diversos problemas de

Mecánica Clásica.

Esta unidad esta integrada por 6 objetivos de aprendizaje.


1. Conocer la diferencia entre cantidades escalares y vectoriales.1.1 Definir conceptos de cantidad escalar y cantidad vectorial.


1.1.1 Proponer ejemplos de cantidades escalares y cantidades vectoriales.


2. Conocer métodos para suma de vectores.2.1 Métodos Gráficos: Paralelogramo y Polígono.2.2 Método Analítico: Descomposición de vectores en componentes.


2.1.1 Graficar y sumar vectores por los métodos del Paralelogramo y del Polígono.2.2.1 Entender la relación entre la Trigonometría y los vectores.2.2.2 Descomponer vectores en sus componentes.2.2.3 Encontrar la resultante de vectores por el método analítico.


3. Comprender la importancia del estudio de la Cinemática.3.1 Comprender la Primera Ley del Movimiento de Newton.3.2 Comprender la Tercera Ley del Movimiento de Newton.3.3 Analizar el Equilibrio y Diagramas de Cuerpo Libre.3.4 Definir la Fricción.3.5 Analizar el Equilibrio Rotacional y Momento de Torsión. Definir el Brazo de palanca.


3.3.1 Analizar diferentes sistemas de fuerzas en equilibrio, mediante el método analítico de suma de vectores.

3.3.2 Graficar Diagramas de Cuerpo Libre para diversos sistemas de fuerzas en equilibrio. 3.3.3 Resolver problemas de fuerzas en equilibrio mediante Diagramas de Cuerpo Libre y el método

analítico de suma de vectores.3.4.1 Resolver problemas en los que interviene la Fricción.3.5.1 Resolver problemas donde intervengan brazos de palanca, momentos de torsión y centros de

gravedad.


4. Comprender la importancia del estudio de la Dinámica.4.1 Analizar el Movimiento uniformemente acelerado. Definir las fórmulas relacionadas con velocidad

media y aceleración media.4.2 Definir las fórmulas que relacionan velocidad inicial, velocidad final, aceleración, tiempo. Y

desplazamiento.4.3 Definir la Gravedad y la caída libre.4.4 Analizar el movimiento de proyectiles.4.5 Comprender la Segunda Ley del Movimiento de Newton.


4.1.1 Resolver problemas que incluyan tiempo, desplazamiento, velocidad media y aceleración media.

4.2.1 Resolver problemas que incluyan velocidad inicial, velocidad final, aceleración, tiempo. Y distancia.

4.3.1 Resolver problemas donde intervengan la caída libre de los cuerpos en un campo gravitacional.4.4.1 Construir diagramas para explicar y resolver problemas con las ecuaciones para movimiento

vertical y horizontal de proyectiles.4.4.2 Resolver problemas donde intervengan ángulo de proyección, altura máxima, tiempo de vuelo,

posición y velocidad del proyectil.4.5.1 Dar ejemplos para mostrar la diferencia entre masa y peso. 4.5.2 Determinar la masa de un objeto a partir de su peso, y el peso a partir de su masa.


5. Describir el funcionamiento de las máquinas simples en términos de eficiencia y conservación de la energía.

5.1 Descripción de máquinas simples: palanca, plano inclinado, engrane, rueda y eje, tornillo y transmisión por banda.

5.2 Explicar las fórmulas para calcular la eficiencia de una máquina simple.5.3 Diferenciar ventaja mecánica ideal y ventaja mecánica real.


5.1.1 Graficar y explicar el funcionamiento de las máquinas simples.5.2.1 Calcular la eficiencia de las máquinas simples.5.3.1 Calcular la ventaja mecánica de las máquinas simples.


6. Analizar los conceptos de trabajo, energía y potencia, y sus aplicaciones.6.1 Comprender los conceptos de trabajo, energía y potencia.6.2 Definir las fórmulas para trabajo, energía potencial, energía cinética y potencia.6.3 Analizar la relación entre potencia, tiempo, fuerza, distancia y velocidad.


6.2.1 Resolver problemas y en los cuales intervengan trabajo, energía potencial, energía cinética y potencia.

6.2.2 Analizar y resolver problemas donde la potencia de un sistema se relacione con tiempo, fuerza, distancia y velocidad.

UNIDAD 3

ELECTRICIDAD

INTRODUCCIÓN

El propósito de esta unidad de la asignatura de Física es comprender la existencia de dos clases de

cargas eléctricas y su comportamiento en reposo. Con los conocimientos adquiridos, el alumno será

capaz de calcular la fuerza eléctrica entre dos cargas. Finalmente, se estudiará el comportamiento de las

cargas eléctricas en movimiento y las interacciones entre ellas.

Esta unidad esta integrada por 4 objetivos de aprendizaje que permitirán al alumno comprender la

naturaleza y aplicaciones de las cargas eléctricas.


1 Analizar el comportamiento de las cargas eléctricas en reposo (Electrostática).1.1 Identificar objetos que se electrizan por frotamiento.1.2 Definir el concepto de electrón.1.3 Identificar materiales aislantes y conductores.1.4 Comprender el fenómeno de la redistribución de carga y la carga por inducción.1.5 Comprender la Ley de Coulomb.


1.1.1 Demostrar la existencia de cargas eléctricas con objetos que se electrizan por frotamiento.1.2.1 Explicar el concepto de electrón, y que la pérdida o ganancia de estas partículas está

involucrada con la carga eléctrica.1.3.1 Proponer ejemplos de materiales aislantes y conductores.1.4.1 Demostrar en el laboratorio la redistribución de carga y la carga por inducción.1.5.1 Aplicar la Ley de Coulomb para resolver problemas donde intervengan cargas eléctricas.


2 Definir y explicar el concepto de campo eléctrico.2.1 Definir el concepto de campo eléctrico, magnitud y dirección.2.2 Explicar el concepto de Intensidad de campo eléctrico.2.3 Demostrar la existencia de las líneas de campo eléctrico.


2.1.1 Explicar factores que determinan la magnitud y la dirección de un campo eléctrico.2.2.1 Resolver problemas donde intervengan intensidad de campo eléctrico, cargas, y distancia entre

ellas.2.3.1 Explicar y dibujar las líneas de campo eléctrico.


3 Comprensión de los conceptos de energía potencial eléctrica, potencial eléctrico y diferencial de potencial eléctrico.

3.1 Definir los conceptos: energía potencial eléctrica, potencial eléctrico, y diferencial de potencial eléctrico.


3.1.1 Calcular la energía potencial de una carga, con respecto a la distancia de otras cargas eléctricas.3.1.2 Calcular el potencial eléctrico en cualquier punto alrededor de una carga eléctrica.3.1.3 Resolver problemas donde se involucre la diferencia de potencial.


4 Analizar el comportamiento de las cargas eléctricas en movimiento.4.1 Definir los conceptos de corriente eléctrica y fuerza electromotriz.


4.1.1 Explicar el movimiento de la carga eléctrica, y la dirección de la corriente eléctrica, así como la fuerza electromotriz.

UNIDAD 4

MAGNETISMO

INTRODUCCIÓN

El propósito de esta unidad de la asignatura de Física es aplicar las Leyes de Ohm y de Kirchhoff para

analizar y resolver problemas de circuitos eléctricos, comprendiendo las características de los

diferentes materiales conductores de electricidad.

Esta unidad esta integrada por 3 objetivos de aprendizaje que permitirán al alumno comprender la

naturaleza y aplicaciones de las cargas eléctricas.


1 Comprender la ley de Ohm.1.1 Definir los conceptos de resistencia, voltaje e intensidad.1.2 Explicar la Ley de Ohm como la relación entre resistencia, voltaje e intensidad.


1.2.1 Aplicar la Ley de Ohm para resolver problemas donde intervenga la resistencia eléctrica.


2 Comprender los circuitos eléctricos en serie y en paralelo.2.1 Explicar los circuitos de resistores en serie.2.2 Explicar los circuitos de resistores en paralelo.2.3 Analizar las Leyes de Kirchhoff.


2.1.1 Calcular la resistencia efectiva de resistores conectados en serie, con diagramas eléctricos y la Ley de Ohm.

2.2.1 Calcular la resistencia efectiva de resistores conectados en paralelo, con diagramas eléctricos y la Ley de Ohm

2.2.2 Resolver problemas de redes eléctricas aplicando las Leyes de Kirchhoff y diagramas eléctricos.


3 Comprender los conceptos de magnetismo y campo magnético.3.1 Definir los conceptos: magnetismo, inducción, campo magnético.3.2 Analizará la relación entre campo el campo magnético y una corriente eléctrica.3.3 Comprenderá el campo magnético de un conductor tipo alambre, tipo espira, bobina y selenoide.


3.3.1 Calcular la inducción magnética por medio de las fórmulas apropiadas en un alambre largo y recto, en el centro de una espira, en el centro de una bobina y en un selenoide.

UNIDAD 5

ELECTRÓNICA

INTRODUCCIÓN

El propósito de esta unidad de la asignatura de Física es aplicar los conocimientos de electricidad para

comprender los fenómenos electrónicos, la tecnología y funcionamiento de los circuitos integrados.

Esta unidad esta integrada por 5 objetivos de aprendizaje que permitirán al alumno comprender los

circuitos integrados y sus aplicaciones en las computadoras.


1 Definir materiales semiconductores.1.1 Explicar el concepto de semiconductor.1.2 Describir los semiconductores de tipo N y P.1.3 Describir el transistor.


1.3.1 Identificar los materiales utilizados en la construcción de dispositivos electrónicos.


2 Analizar los circuitos integrados.2.1 Describir los circuitos integrados.2.2 Describir la construcción de circuitos integrados.


2.1.1 Explicar los pasos en la producción de los circuitos integrados.


3 Explicar los circuitos lógicos de computadora.3.1 Definición de circuito lógico.3.2 Describir el concepto de compuerta lógica.3.3 Descripción de las compuertas TTL, MOSFET y CMOS


3.3.1 Explicar con diagramas, la estructura y funcionamiento de las compuertas lógicas TTL, MOSFET y CMOS.


4 Analizar los circuitos multivibradores.4.1 Descripción de un circuito multivibrador.4.2 Usos de los circuitos multivibradores.


4.2.1 Con el uso de diagramas, explicar el uso y funcionamiento de circuitos multivibradores biestables para almacenar datos, como etapa de conmutación y como contadores.


5 Comprender los tipos de memoria.5.1 Analizar la memoria de solo lectura.5.2 Analizar la memoria de acceso aleatorio.


5.2.1 Explicar el funcionamiento y aplicaciones de los diferentes tipos de memoria.

UNIDAD 1

SISTEMAS DE UNIDADES Y DIMENSIONES


1.- Conocer las características de los sistemas de medición de unidades.1.1 Definir el concepto de cantidad física.

Una cantidad física se define en base a su proceso de medición, al compararlas con un patrón conocido. Ejemplos: longitud, masa, tiempo, velocidad, fuerza. La magnitud de una cantidad física se especifica con un número y una unidad.

1.2 Analizar las unidades fundamentales de los sistemas de medición.

Son la longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura, intensidad luminosa y cantidad de sustancia.

1.3 Conocer instrumentos de medición.


1.1.1 Diferenciar y explicar las diferentes características físicas de un objeto1.1.2 Determinar diferentes cantidades físicas de un objeto con instrumentos de medición.

En el laboratorio, determinar diferentes cantidades físicas con instrumentos de medición.


2 Conocer el Sistema Internacional de Unidades.2.1 Conocer las unidades básicas de longitud, masa y tiempo del Sistema Internacional de Unidades.

Es una cantidad fundamental, de la combinación de ellas se derivan todas las demás cantidades físicas. De acuerdo a la siguiente tabla, son:

Cantidad Unidad SímboloTiempo segundo sMasa kilogramo kgTemperatura kelvin KLongitud metro mCorriente eléctrica ampere AIntensidad luminosa candela cdCantidad de sustancia mol mol

2.2 Definir los prefijos que indican múltiplos de las unidades básicas.

De acuerdo a la siguiente tabla, son:

Prefijo Símbolo Factortera T 1012

giga G 109

mega M 106

kilo k 103

centi c 10-2

mili m 10-3

micro 10-6

nano n 10-9

pico p 10-12

2.3 Conocer las unidades derivadas del Sistema Internacional de Unidades.

Las unidades derivadas se obtienen a partir de operaciones matemáticas con las unidades fundamentales. Algunas de ellas se muestran en la siguiente tabla, en los contenidos temáticos de las demás Unidades se encuentran otras unidades derivadas.

Cantidad Unidades derivadas SímboloÁrea metro cuadrado m2

Volumen metro cúbico m3

Frecuencia hertz Hz, s-1

Densidad kilogramo por metro cúbico kg/m3

Velocidad metro por segundo m/sPresión Pascal Pa (kg.m/m2.s2)Flujo luminoso lumen lmConductividad térmica watt por metro kelvin W/(m.K)


2.3.1 Convertir cantidades expresadas en unidades derivadas del Sistema Internacional, en múltiplos o submúltiplos de las mismas.

Ejemplo: convertir 15.3 kilómetros en metros:


3 Conocer el Sistema Ingles de Unidades. 3.1 Conocer las unidades básicas de longitud, masa y tiempo del Sistema Inglés.

De acuerdo a la siguiente tabla, son:

Magnitud Unidad SímboloLongitud pies ftTiempo segundo sMasa slug slugTemperatura Grado Rankine RFuerza libra lb

3.2 Conocer las unidades derivadas del Sistema Inglés.

Se muestran algunas cantidades derivadas en la siguiente tabla:

Cantidad Unidades derivadas SímboloSuperficie pies cuadrados ft2

Volumen pies cúbicos ft3

Velocidad pies por segundo ft/sDensidad slug por pié cúbico slug/ft3

Presión libra por pulgada cuadrada lb/in2


3.1.1 Convertir cantidades expresadas en unidades derivadas, en múltiplos de las mismas.

Por ejemplo, convertir 3.15 Watts en pies por libra por segundo:

3.2.1 Convertir cantidades expresadas en unidades de un sistema en las unidades del otro.

Por ejemplo, convertir 200 Newton por metro cuadrado en libras por pulgadas cuadradas:

En cualquier caso, se debe enfatizar que los resultados deben ser dimensionalmente correctos, especialmente en la utilización de fórmulas.

UNIDAD 2

MECÁNICA


1 Conocer la diferencia entre cantidades escalares y vectoriales.1.1 Definir conceptos de cantidad escalar y cantidad vectorial.

Una cantidad escalar se explica totalmente con su magnitud, que consta de un número y una unidad: 15 kg (masa), 6.56 m3 (volumen). Pueden sumarse de manera algebraica:

Las cantidades vectoriales tienen dirección además de magnitud, y la dirección debe tomarse en cuenta en las operaciones donde intervenga una cantidad vectorial: 20 km al este (desplazamiento). Las cantidades vectoriales se representan mediante flechas llamadas vectores, cuya dirección queda referenciada a líneas verticales y horizontales llamadas ejes. La dirección se especifica midiendo el ángulo formado entre el vector y el eje positivo horizontal.


1.1.1 Proponer ejemplos de cantidades escalares y cantidades vectoriales.

Graficar las siguientes cantidades vectoriales:

Trayectoria de un avión: 340 km al este, 600 km al sur, 550 km al este, 1020 km al norte.


2 Conocer métodos para suma de vectores.2.1 Métodos Gráficos: Paralelogramo y Polígono.

El método del paralelogramo solo se puede aplicar a dos vectores a la vez. Se dibujan los dos vectores desde el origen de los ejes vertical y horizontal, y se traza una línea paralela a ambos vectores. Se traza una línea desde el origen de los ejes vertical y horizontal hasta el punto de cruce de las paralelas a los vectores, y al medirse con la misma escala que los vectores, obtenemos la magnitud del vector

Eje horizontal, 0°

Eje vertical, 90°

15 m, 210°

resultante. La dirección queda indicada por el ángulo formado entre el eje horizontal positivo y la resultante.

El método del polígono permite sumar o restar varios vectores a la vez. En este método la magnitud de un vector se indica con un segmento de recta con una escala, la dirección se indica con una punta de flecha en el extremo. Los vectores se colocan uno en el extremo del otro y se unen el inicio del primero con el final del último con un segmento de recta que representa el vector resultante (medido con la misma escala). El ángulo representa la dirección de la resultante..

2.2 Método Analítico: Descomposición de vectores en componentes.

Los vectores se pueden descomponer en sus componentes horizontal (Fx) y vertical (Fy). Las componentes se encuentran con las fórmulas:

La resultante se obtiene con el teorema de Pitágoras después de sumar las componentes verticales y horizontales (respectivamente) de los vectores:

La dirección se obtiene:

Vector 1

Vector 2

Resultante

Resultante

Vector 1

Vector 3

Vector 2


2.1.1 Graficar y sumar vectores por los métodos del Paralelogramo y del Polígono.2.2.1 Entender la relación entre la Trigonometría y los vectores.2.2.2 Descomponer vectores en sus componentes.2.2.3 Encontrar la resultante de vectores por el método analítico.

Resolver los siguientes ejercicios por el método del Paralelogramo:

35 N, 45° + 67 N, 13°127 km, 45° - 56 km, 34°

Resolver por el método del Polígono:

60 lb, 98° + 124 lb, 56°, -345 lb, 124°

Resolver todos los ejercicios anteriores por el método analítico.


3 Comprender la importancia del estudio de la Cinemática.3.1 Comprender la Primera Ley del Movimiento de Newton.

“Un cuerpo permanece en estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, a menos que una fuerza externa no equilibrada actúe sobre él”

También conocida como la Ley de la Inercia, se demuestra con la conservación del estado de reposo o movimiento de los pasajeros de un automóvil cuándo éste acelera o frena.

3.2 Comprender la Tercera Ley del Movimiento de Newton.

“Para cada acción debe haber una reacción de igual magnitud y sentido opuesto”

No existen fuerzas aisladas. El movimiento del cuerpo humano se debe a la comprobación de esta Ley sobre los músculos. Mientras un conjunto de músculos se flexiona para producir un movimiento, otro grupo se relaja (al mismo tiempo).

3.3 Analizar el Equilibrio y Diagramas de Cuerpo Libre.

Existe una condición de equilibrio cuando la resultante de todas las fuerzas que ejercen efecto sobre un objeto, es cero. Un cuerpo en equilibrio debe estar en reposo o en movimiento con velocidad constante de acuerdo con la Primera Ley de Newton. Si la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo es cero, ese cuerpo está en equilibrio:

Un diagrama de cuerpo libre es un esquema vectorial en el cual se describen todas las fuerzas que actúan sobre un objeto. Es frecuente representar las componentes de cada fuerza en el diagrama de cuerpo libre.

Para resolver problemas de equilibrio, se debe representar el problema en un diagrama de cuerpo libre. A continuación se deben encontrar todas las componentes de las fuerzas, aunque sean desconocidos. Se aplica la condición de equilibrio (la suma de todas las componentes es cero) y se determinan algebraicamente los componentes desconocidos.

3.4 Definir la Fricción.

Las superficies de los objetos no son lisas, siempre existen irregularidades que se adhieren entre sí cuando los objetos se deslizan estando en contacto. Estas fuerzas de fricción se oponen al movimiento, y son las que nos permiten escribir, que caminemos, que los clavos y tornillos permanezcan en su lugar. Este rozamiento provoca desgaste y muchas veces se desea disminuir este efecto (por ejemplo, las formas aerodinámicas de los autos y aviones). Los diferentes materiales poseen grados diferentes de resistencia en el rozamiento, que se conocen como coeficientes de fricción (por ejemplo, madera contra madera, 0.7 (adimensional).

3.5 Analizar el Equilibrio Rotacional y Momento de Torsión. Definir el Brazo de palanca.

En los criterios de aprendizaje anteriores se analizaron fuerzas con un punto de aplicación común (fuerzas concurrentes). Cuando las fuerzas que actúan sobre un objeto, lo hacen en diferentes puntos, se produce una tendencia a girar conocida como momento de torsión.

La línea de acción de una fuerza es una línea imaginaria que se prolonga en la dirección del vector, indefinidamente.

El brazo de palanca (r) de una fuerza (F) es la distancia perpendicular desde la línea de acción de la fuerza hasta el eje de rotación. El momento de torsión () es la tendencia a cambiar el movimiento rotacional, y se calcula:

Es conveniente resolver algunos problemas con los componentes de una fuerza para obtener el momento de torsión.

F1

F2

No hay equilibrio, las fuerzas opuestas tienen líneas de acción diferentes

El momento de torsión resultante es la suma algebraica de los momentos de torsión positivos (sentido opuesto al movimiento de las agujas del reloj) y los momentos de torsión negativos (mismo sentido al movimiento de las agujas del reloj):


3.3.1 Analizar diferentes sistemas de fuerzas en equilibrio, mediante el método analítico de suma de vectores.

3.3.2 Graficar Diagramas de Cuerpo Libre para diversos sistemas de fuerzas en equilibrio. 3.3.3 Resolver problemas de fuerzas en equilibrio mediante Diagramas de Cuerpo Libre y el método

analítico de suma de vectores.

Un bloque de 56 N de peso está sostenido de dos cuerdas. La cuerda A tiene un ángulo de 45° con respecto a la horizontal, y la cuerda B, de 65°. Calcular las tensiones en ambas cuerdas.

3.4.1 Resolver problemas en los que interviene la Fricción.

¿Qué fuerza es necesaria para mover un bloque de madera de 36 N sobre una superficie de madera que está inclinada 25° con respecto a la horizontal? El coeficiente de fricción madera-madera es de 0.7.

3.5.1 Resolver problemas donde intervengan brazos de palanca, momentos de torsión y centros de gravedad.

Hallar las magnitudes de las fuerzas F1 y F2 desconocidas, de acuerdo al diagrama de cuerpo libre (considere que todo el peso de la viga actúa en su centro)


F1 F2

1 m

340 N 270 N 350 N

6.6 m 4.8 m 3.2 mViga

4 Comprender la importancia del estudio de la Dinámica.4.1 Analizar el Movimiento uniformemente acelerado. Definir las fórmulas relacionadas con velocidad media y aceleración media.

Rapidez media es el cociente de la distancia recorrida (s, desplazamiento) entre el tiempo transcurrido:

La rapidez instantánea es una cantidad escalar que representa la rapidez de un objeto en un instante dado. La velocidad instantánea es una cantidad vectorial que representa la velocidad del móvil en cualquier punto.

4.2 Definir las fórmulas que relacionan velocidad inicial, velocidad final, aceleración, tiempo. Y desplazamiento.

La aceleración es el cambio de velocidad con respecto al tiempo y es una cantidad vectorial. Cuando la aceleración del cuerpo es constante, está dada por:

Un resultado negativo indica desaceleración.

Otras fórmulas de interés son:

4.3 Definir la Gravedad y la caída libre.

En problemas relacionados con la aceleración, los signos de las cantidades que intervienen siguen ciertas convenciones:

Velocidad: es positiva si la dirección del movimiento sigue la dirección elegida como positiva.Aceleración: es positiva si la dirección del movimiento sigue la dirección elegida como positiva.Desplazamiento: es positivo o negativo dependiendo de la ubicación del objeto respecto a la posición cero.

En el vacío todos los cuerpos caen con la misma aceleración, 9.8 m/s2 (a nivel del mar), dicha aceleración gravitacional se representa con g. Como es una aceleración constante, se aplican las mismas fórmulas antes descritas en el criterio anterior, con las siguientes modificaciones:

4.4 Analizar el movimiento de proyectiles.

Cuando un objeto se lanza horizontalmente, la componente horizontal de su velocidad permanece constante mientras que la componente vertical al principio es cero pero se incrementa uniformemente. Si designamos x a la posición horizontal, y a la posición vertical, se pueden calcular en cualquier instante de la siguiente forma:

Las componentes de la velocidad final están dadas por:

Para un objeto lanzado con cierto ángulo , se procede calculando primero las componentes de la velocidad inicial:

Los componentes horizontal y vertical de la velocidad del objeto se calculan como sigue:

4.5 Comprender la Segunda Ley del Movimiento de Newton.

En cualquier sistema de unidades, la masa (m) de un objeto es igual a su peso (W) dividido entre la aceleración de la gravedad (g) y el peso tiene las mismas unidades que la unidad de fuerza.

El peso es el efecto de la fuerza de gravedad sobre la masa de un cuerpo, y varía dependiendo de la aceleración de la gravedad. La masa es una constante universal, una medida de la inercia del cuerpo, y no depende de la gravedad.

“Cuando una fuerza no equilibrada actúa sobre un cuerpo, se produce una aceleración en la dirección de la fuerza, directamente proporcional a la magnitud de la fuerza e inversamente proporcional a la masa del cuerpo”

La aceleración que le imparte una fuerza a un cuerpo está dada por:


4.1.1 Resolver problemas que incluyan tiempo, desplazamiento, velocidad media y aceleración media.

El sonido viaja en el aire a 340 m/s. Si se deja caer una piedra desde la azotea de un edificio de 35 m, ¿cuánto tiempo tardará la persona que deja caer la piedra en escuchar el sonido de la piedra al golpear el pavimento?

4.2.1 Resolver problemas que incluyan velocidad inicial, velocidad final, aceleración, tiempo, y distancia.

Un camión frena en 6 s. Si la velocidad inicial era de 86 km/h, ¿Cuál era su aceleración y cuál la distancia de frenado?

Un tren viaja a 65 mi/h. Debe detenerse en 100 m. ¿Qué aceleración media se requiere? ¿Cuánto tiempo invierte en frenar?

4.3.1 Resolver problemas donde intervengan la caída libre de los cuerpos en un campo gravitacional.

Al borde de una cañada, se deja caer un objeto. ¿Cuánto tiempo demora en alcanzar 32 m bajo la posición en que fue soltado? ¿Qué velocidad tendrá en ese instante?

4.4.1 Construir diagramas para explicar y resolver problemas con las ecuaciones para movimiento vertical y horizontal de proyectiles.

4.4.2 Resolver problemas donde intervengan ángulo de proyección, altura máxima, tiempo de vuelo, posición y velocidad del proyectil.

Un esquiador viaja en una rampa a 85 km/h. Si el final de la rampa se ubica 35 m por encima de la superficie del campo, ¿Qué tan lejos llegará el esquiador?

Una flecha se lanza con un ángulo de 35° con respecto a la horizontal, con una velocidad de 42 m/s. Después de 4 s, ¿Cuál es la velocidad de la flecha? ¿Y sus posiciones vertical y horizontal?

4.5.1 Dar ejemplos para mostrar la diferencia entre masa y peso. 4.5.2 Determinar la masa de un objeto a partir de su peso, y el peso a partir de su masa.

Si una masa de 16 lb es afectada por fuerzas de 5 N, 34 N y 12.7 N, ¿Cuáles son las aceleraciones resultantes?


5 Describir el funcionamiento de las máquinas simples en términos de eficiencia y conservación de la energía.

5.1 Descripción de máquinas simples: palanca, plano inclinado, engrane, rueda y eje, tornillo y transmisión por banda.

Una máquina simple transforma en trabajo útil la fuerza aplicada.

Fuerza de entrada = trabajo contra la fricción + trabajo de salida

La palanca es una barra rígida apoyada en un punto llamado fulcro:

Pinzas, carretillas, son ejemplos de aplicación de la palanca.

La rueda y eje permiten la aplicación continua de la fuerza de entrada. Una polea sirve para cambiar la dirección de la fuerza de entrada.

5.2 Explicar las fórmulas para calcular la eficiencia de una máquina simple.

El trabajo útil de una máquina nunca es mayor que la fuerza que se le ha suministrado. Siempre hay pérdidas por la fricción. La eficiencia de una máquina es el cociente entre el trabajo de salida y la fuerza de entrada:

W

F

rir0

Fulcro

R

Fi

F0

W

5.3 Diferenciar ventaja mecánica ideal y ventaja mecánica real.

La ventaja mecánica ideal M1 supone que no existen pérdidas debidas a la fricción.

La ventaja mecánica real MA se define como la relación de la fuerza de salida F0 entre la fuerza de entrada Fi, y muchas máquinas simples tienen MA1. Los polipastos tienen MA =4.


5.1.1 Graficar y explicar el funcionamiento de las máquinas simples.5.2.1 Calcular la eficiencia de las máquinas simples.5.3.1 Calcular la ventaja mecánica de las máquinas simples.

Para una palanca, la ventaja mecánica ideal se considera igual a la ventaja mecánica real y se calcula:

Para la rueda y eje, la ventaja mecánica ideal es el cociente entre el radio de la rueda (R) y el radio del eje (r):

La ventaja mecánica ideal de la polea simple es de 1. Para sistemas de poleas, la ventaja mecánica ideal puede ser de 2 (polea móvil simple) o 4 (polipasto).

Para una transmisión por banda o polea, de una polea motriz a una polea de salida, se transmite el momento de torsión, y la ventaja mecánica ideal es el cociente entre el momento de torsión de salida y el de entrada, igual a la relación entre el diámetro de la polea motriz (D0) y el diámetro de polea de salida (Di):

Para los engranes, la ventaja mecánica ideal se calcula como el cociente entre el diámetro de la rueda dentada motriz y el de la rueda de salida, o el número de sus dientes:

En una cuña, la ventaja mecánica ideal de longitud L y grosor t está dada por:


6 Analizar los conceptos de trabajo, energía y potencia, y sus aplicaciones.6.1 Comprender los conceptos de trabajo, energía y potencia.

Trabajo es una cantidad escalar que resulta del producto de las magnitudes del desplazamiento y de la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento.

Energía, es la capacidad para producir trabajo. La energía total de un sistema siempre es constante, y la energía solo se transforma en otra dentro del sistema.

La potencia es la rapidez con la cual se efectúa un trabajo.

6.2 Definir las fórmulas para trabajo, energía potencial, energía cinética y potencia.

Siendo T el trabajo, y Fx la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento el trabajo se calcula:

La energía cinética (Ek) es la energía que un objeto posee por su movimiento, es igual al trabajo que realiza una fuerza externa sobre el objeto, y se calcula:

La energía potencial Ep es la energía que un cuerpo posee en virtud de su posición, y está dada por:

Despreciando la fricción, la resistencia del aire, etc., la suma de las energías cinéticas y potenciales es una constante, siempre que no se añada otra energía al sistema:

De la cual se desprende la siguiente fórmula para determinar la velocidad final para un cuerpo que cae partiendo del reposo:

La potencia se calcula de la siguiente forma:

6.3 Analizar la relación entre potencia, tiempo, fuerza, distancia y velocidad.

La siguiente relación permite observar como afectan la velocidad, la fuerza y la distancia a la potencia:


6.2.1 Resolver problemas y en los cuales intervengan trabajo, energía potencial, energía cinética y potencia.

Un tractor arrastra un remolque de 350 N con una fuerza constante y lo mueve 250 m. ¿Qué trabajo realizó el tractor?

Calcular la fuerza que se debe aplicar para que un objeto de 1.5 lb aumente su velocidad de 3.5 m/s a 6.7 m/s en una distancia de 15 m.

Un ladrillo de 4.5 kg se encuentra en la azotea de una casa de 3 m de alto. Hallar la energía potencial del ladrillo con respecto al piso y la cabeza de una persona de 1.75 m de estatura.

Un elevador transporta 500 kg de mineral por hora a una altura de 18 m. ¿Cuál es su potencia?

6.2.2 Analizar y resolver problemas donde la potencia de un sistema se relacione con tiempo, fuerza, distancia y velocidad.

Calcular la velocidad a la cual un ascensor de 50 hp levanta una carga de 1500 lb.

UNIDAD 3

ELECTRICIDAD


1 Analizar el comportamiento de las cargas eléctricas en reposo (Electrostática).1.1 Identificar objetos que se electrizan por frotamiento.

Hay cuerpos donde se advierte la capacidad de atraer otros, sin ser imanes. Peines de plástico y papeles, materiales como ebonita, lana, seda, algunas maderas y metales. Todos estos cuerpos se electrizan por frotamiento.

Existen dos tipos de cargas: cuando dos cuerpos están cargados de la misma manera se repelen, y cuando están cargados de manera distinta, se atraen.

Las cargas positivas y negativas carecen de significado matemático, solo se utilizan para designar los dos tipos de carga eléctrica que existen.

1.2 Definir el concepto de electrón.

Todas las sustancias están formadas por moléculas y átomos. Cada átomo tiene una parte central denominada núcleo, formada por dos tipos de partículas: los neutrones y los protones, éstos últimos tienen carga eléctrica positiva. El núcleo está rodeado de una nube de partículas de carga eléctrica negativa, llamadas electrones. Cuando los cuerpos se electrizan, se transfieren electrones de uno al otro. El que los gana, queda cargado de manera negativa, y el que pierde electrones queda con carga positiva.

1.3 Identificar materiales aislantes y conductores.

Un conductor es un material a través del cual la carga eléctrica se transmite fácilmente. Los metales son buenos conductores.

Un aislante es un material que no permite la transmisión de la carga eléctrica. Los plásticos, el aire, son aislantes eléctricos.

1.4 Comprender el fenómeno de la redistribución de carga y la carga por inducción.

Cuando un objeto sin carga se acerca a uno cargado negativamente, experimenta una redistribución de sus cargas. Las positivas son atraídas por el otro objeto, y la otra parte del objeto queda cargada negativamente No se gana ni se pierde carga en el proceso. Tampoco existe contacto entre los dos objetos, y este fenómeno se conoce como carga por inducción.. 1.5 Comprender la Ley de Coulomb.

“La fuerza de atracción o repulsión (F) entre dos cargas puntuales (q y q’)es directamente proporcional al producto de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) que las separa”

Un coulomb (C) es la carga eléctrica transferida en un segundo a traves de la sección transversal de un conductor, con la corriente constante de un ampere.

1 C = 6.25x1018 electrones

1 C = 10-6 C

La Ley de Coulomb se expresa matemáticamente como:

k = 9x109 N.m2/C2


1.1.1 Demostrar la existencia de cargas eléctricas con objetos que se electrizan por frotamiento.1.2.1 Explicar el concepto de electrón, y que la pérdida o ganancia de estas partículas está

involucrada con la carga eléctrica.1.3.1 Proponer ejemplos de materiales aislantes y conductores.1.4.1 Demostrar en el laboratorio la redistribución de carga y la carga por inducción.1.5.1 Aplicar la Ley de Coulomb para resolver problemas donde intervengan cargas eléctricas.

Calcular la fuerza que existe entre dos cargas de –6 C separadas 12 cm.

Una carga de –3 C están separadas 0.15 m. Calcular la fuerza sobre una tercera carga de –5 C colocada en el punto medio entre las cargas anteriores.


2 Definir y explicar el concepto de campo eléctrico.2.1 Definir el concepto de campo eléctrico, magnitud y dirección.

Un campo eléctrico (E) existe en una zona del espacio en la cual una carga eléctrica (q) experimenta una fuerza eléctrica (F), y está dado por:

La dirección de la intensidad de un campo eléctrico en un punto en el espacio es aquella en la cual se movería una carga positiva ubicada en ese punto.

2.2 Explicar el concepto de Intensidad de campo eléctrico.

La intensidad de un campo eléctrico está dada por (la constante k es la misma que en la Ley de Coulomb):

2.3 Demostrar la existencia de las líneas de campo eléctrico.

Son líneas imaginarias cuya dirección en cualquier punto sigue la dirección del campo eléctrico en dicho punto. La densidad de las líneas de campo eléctrico está relacionada con la magnitud del campo eléctrico. Las líneas de campo eléctrico regularmente son curvas.


2.1.1 Explicar factores que determinan la magnitud y la dirección de un campo eléctrico.2.2.1 Resolver problemas donde intervengan intensidad de campo eléctrico, cargas, y distancia entre

ellas.

Una carga de 4 C está situada en un punto P en un campo eléctrico y experimenta una fuerza hacia abajo de 4.3x10-3 N. Determine la intensidad del campo eléctrico en el punto P.

2.3.1 Explicar y dibujar las líneas de campo eléctrico.


3 Comprensión de los conceptos de energía potencial eléctrica, potencial eléctrico y diferencial de potencial eléctrico.

3.1 Definir los conceptos: energía potencial eléctrica, potencial eléctrico, y diferencial de potencial eléctrico.

La energía potencial eléctrica (EP) es el trabajo realizado en contra del campo eléctrico (E) para mover una carga q una distancia d:

Cuando una carga positiva se mueve en contra del campo eléctrico, la energía potencial del sistema se incrementa, cuando una carga negativa se mueve en contra del campo eléctrico, la energía potencial disminuye.

Cando una carga +q se mueve del punto A al punto B (en la vecindad de una carga +Q), experimenta una fuerza eléctrica (rA es la distancia del punto A a la carga +Q):

La energía potencial del sistema se calcula como sigue (r es la distancia que separa las cargas +Q y +q):

El potencial V es igual al trabajo por unidad de carga realizado contra las fuerzas eléctricas para mover una carga +q desde el infinito hasta dicho punto:

El potencial ocasionado por una carga positiva es positivo. Caso contrario, es negativo.

Cuando una carga se mueve de un punto A con cierto potencial, hasta otro punto B con menor potencial, al trabajo realizado se le denomina diferencia de potencial:

TrabajoA→B = q(VA-VB)


3.1.1 Calcular la energía potencial de una carga, con respecto a la distancia de otras cargas eléctricas.

Calcular la energía potencial de un sistema en el cual una carga de 12 C está separada de otra carga de 9 C por una distancia de 4 cm.

Si las cargas se acercan a 5 mm, ¿Aumenta o disminuye la energía potencial? ¿Cuál es su nuevo valor?

3.1.2 Calcular el potencial eléctrico en cualquier punto alrededor de una carga eléctrica.

Una carga de +5 C está a 6 cm del punto A. ¿Cuál es el potencial en el punto A?

3.1.3 Resolver problemas donde se involucre la diferencia de potencial.

Calcular la diferencia de potencial entre los puntos A y B, si el punto A está a 6 cm de una carga de +34 C, y el punto B se encuentra a 23 cm de dicha carga.


4 Analizar el comportamiento de las cargas eléctricas en movimiento.4.1 Definir los conceptos de corriente eléctrica y fuerza electromotriz.

El flujo de electrones ocasiona la corriente eléctrica. Una corriente eléctrica es la rapidez del flujo de carga Q que pasa por un punto P en un conductor eléctrico:

+Q

A

Las cargas positivas en los átomos del conductor están firmemente unidas y no se pueden mover.

La dirección de la corriente eléctrica es aquella en la cual se moverían las cargas positivas (aún cuando la corriente real consiste de un flujo de electrones):

Una fuente de fuerza electromotriz es un dispositivo que transforma la energía química, mecánica o de otras formas en energía eléctrica para mantener una corriente continua de carga eléctrica.


4.1.1 Explicar el movimiento de la carga eléctrica, y la dirección de la corriente eléctrica, así como la fuerza electromotriz.

+ -

Flujo de electrones

Dirección de la corriente

UNIDAD 4

MAGNETISMO


1 Comprender la ley de Ohm.1.1 Definir los conceptos de resistencia, voltaje e intensidad.

La resistencia es la oposición al paso de la corriente eléctrica. Todos los metales oponen resistencia aun siendo buenos conductores de la electricidad.

1.2 Explicar la Ley de Ohm como la relación entre resistencia, voltaje e intensidad.

La Ley de Ohm enuncia que: “Para un conductor dado, la corriente que circula es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre sus puntos extremos”

La resistencia de un conductor se calcula con la siguiente fórmula:


1.2.1 Aplicar la Ley de Ohm para resolver problemas donde intervenga la resistencia eléctrica.

¿Cuál es la resistencia de un fusile de 2 A en un circuito con una batería de 12 V en sus terminales?

¿Qué voltaje se requiere para que una corriente de 50 mA pase a través de una resistencia de 10 kΏ?


2 Comprender los circuitos eléctricos en serie y en paralelo.2.1 Explicar los circuitos de resistores en serie.

Un circuito eléctrico consiste en varias secciones unidas entre sí, y al menos una de las secciones cierra la trayectoria que sigue la corriente eléctrica.

El circuito más sencillo consta de una fuente de energía electromotriz unida a una resistencia. Dicho circuito se mostró en el tema 4.1 de la unidad anterior.

Dos o más resistencias están en serie si tienen un solo punto en común (A) al cual no está conectado un tercer elemento, y por lo tanto, la corriente sólo puede fluir en una sola dirección en el circuito:

En un circuito en serie, la corriente que pasa por cada resistencia es idéntica porque existe una sola trayectoria:

I=I1=I2

La Ley de Ohm se aplica en cada parte del circuito, y el voltaje aplicado en cada resistencia se puede hallar como sigue:

V=IR

V1=IR1

V2=IR2

El voltaje V es la suma de la caída de potencial en cada resistencia:

V=V1+V2

La resistencia efectiva de las resistencias en serie es la suma de las resistencias individuales:

R=R1+R2

2.2 Explicar los circuitos de resistores en paralelo.

A los circuitos en los que la corriente se divide entre dos o mas elementos, se les llama circuitos en paralelo.

AI

R1

R2

En un circuito en paralelo, el voltaje en cada resistencia es igual al voltaje total:

V=V1=V2

La corriente total se divide entre las resistencias, y la intensidad total es igual a la suma de la intensidad en cada resistencia:

I=I1+I2

En una conexión en paralelo, la suma de los inversos multiplicativos de las resistencias, es igual al inverso de la resistencia efectiva:

2.3 Analizar las Leyes de Kirchhoff.

Existen circuitos complejos formados por varias trayectorias o mallas cerradas en las cuales circula la corriente eléctrica. Para analizar estas redes eléctricas se utilizan las leyes de Kircchoff. Un nodo es cualquier punto en un circuito en el cual están unidos dos o mas componentes:

Primera Ley de Kirchhoff:

“La suma de las corrientes que llegan a un nodo es igual a la suma deas corrientes que salen de ese nodo”

Segunda Ley de Kirchhoff:

A

I2

R2

R1

II I

I1

“La suma de las fuerzas electromotrices alrededor de cualquier malla cerrada de corriente es igual a la suma de todas las caídas de potencial IR alrededor de cada malla”

Para resolver problemas con las Leyes de Kirchhoff se recomienda la siguiente metodología:

1. Escoger una dirección para la corriente en cada malla de la red2. Aplicar la Primera Ley de Kirchhoff para cada nodo.3. Indicar la dirección en la cual cada fuente de fuerza electromotriz impulsaría una carga positiva

en el circuito. Utiliza una flecha al lado de cada símbolo de fuente de fuerza electromotriz.4. Aplicar la Segunda Ley de Kirchhoff para cada malla. Se obtendrá una ecuación por cada malla.

Se parte de un punto específico y se recorre la malla en una sola dirección hasta regresar al punto de partida.

5. Se pueden resolver simultáneamente las ecuaciones obtenidas para detrminar las incógnitas de la malla.


2.1.1 Calcular la resistencia efectiva de resistores conectados en serie, con diagramas eléctricos y la Ley de Ohm.

Hallar la corriente y la resistencia equivalente del siguiente circuito:

2.2.1 Calcular la resistencia efectiva de resistores conectados en paralelo, con diagramas eléctricos y la Ley de Ohm

R2=4 ΩR1=2 Ω R3=6 Ω

V=16 V

Hallar la corriente y la resistencia equivalente del siguiente circuito:

2.2.2 Resolver problemas de redes eléctricas aplicando las Leyes de Kirchhoff y diagramas eléctricos.

Hallar las corrientes en cada rama del siguiente circuito aplicando las Leyes de Kirchhoff:


3 Comprender los conceptos de magnetismo y campo magnético.3.1 Definir los conceptos: magnetismo, inducción, campo magnético.

La fuerza de atracción que ejerce un imán sobre el hierro y otros materiales, se conoce como magnetismo. Las regiones de los extremos del imán donde parece concentrarse la fuerza magnética se llaman polos magnéticos. Polos magnéticos iguales se repelen y polos magnéticos diferentes se atraen. Convencionalmente se dice que un imán tiene dos polos magnéticos, el norte y el sur. Los imanes están rodeados por un espacio donde se aprecian sus manifestaciones. A estas regiones se les llama campos magnéticos. Las líneas de flujo magnéticos urgen del polo norte y forman espiras que pasan a través del imán. La densidad de estas líneas de flujo magnético (B) es una indicación de la fuerza del campo magnético en un punto dado.

R1=4 Ω

R2=5 Ω

R3=6 ΩV=12 V

3.5 Ω

1.4 Ω

4.5 Ω

6.5 Ω9 V

3 V

A la magnetización de un material ferroso por contacto o cercanía con un imán, se le conoce como inducción. Esta magnetización suele ser temporal. A la propiedad de un material de permanecer magnetizado aún después de retirar el imán, se le conoce como retentividad.

3.2 Analizará la relación entre campo el campo magnético y una corriente eléctrica.

El magnetismo de las sustancias se debe al movimiento de los electrones en los átomos. SE debe, por lo tanto, al movimiento de cargas eléctricas, porque el flujo eléctrico también se debe al movimiento de los electrones, y ambos fenómenos son dos aspectos de la misma realidad: el campo electromagnético. No puede existir una corriente sin campo magnético, tampoco a la inversa.

3.3 Comprenderá el campo magnético de un conductor tipo alambre, tipo espira, bobina y selenoide.

La densidad de flujo magnético, a una distancia perpendicular d de un alambre recto por el que circula una corriente I, se calcula con la siguiente fórmula:

es la permeabilidad (constante del medio que permite el paso de las líneas de flujo magnético)

En el centro de una espira de radio r, la densidad de flujo magnético se calcula de la siguiente forma:

Cuando el alambre forma parte de una bobina con N vueltas, la densidad de flujo magnético se calcula:

La inducción magnética en un selenoide de longitud L se obtiene con la siguiente fórmula:


3.3.1 Calcular la inducción magnética por medio de las fórmulas apropiadas en un alambre largo y recto, en el centro de una espira, en el centro de una bobina y en un selenoide.

Calcular la inducción magnética en el aire en un punto a 6 cm de un alambre con una corriente de 12 A.

En una espira de 12 cm de diámetro circula una corriente de 2 A. En un medio con una =3.1, ¿Cuál será la inducción magnética en el centro?

Una bobina de 85 mm de diámetro tiene 40 vueltas, envueltas en aire. Calcular la corriente que debe pasar por la bobina para que B=0.8 mT en su centro.

Un selenoide de 15 cm de largo y 36 mm de radio tiene 350 vueltas de alambre. SI la corriente es de 2 A, determinar la inducción magnética en el centro del selenoide.

UNIDAD 5

ELECTRÓNICA


1 Definir materiales semiconductores.1.1 Explicar el concepto de semiconductor.

Los materiales semiconductores tienen un estado intermedio entre los aislantes y los conductores de la electricidad. Los electrones de la última capa (la de valencia) están compartidos por enlaces covalentes. El silicio y el germanio son dos elementos ampliamente utilizados en la industria de los semiconductores.

1.2 Describir los semiconductores de tipo N y P.

Cada átomo de silicio está rodeado de 4 electrones de valencia. En un cristal puro, cada electrón está compartido con un átomo vecino. Como no existen electrones disponibles para que circule la corriente, el cristal puro es un aislante. Pero cuando una impureza (arsénico, fósforo o antimonio, generalmente utilizados, cada uno con 5 electrones de valencia) tiene más de 4 electrones de valencia, puede actuar como donador de electrones y el cristal recibe el nombre de semiconductor tipo N (negativo). Este cristal tiene un electrón libre.

Si la impureza del cristal tiene menos de 4 electrones de valencia el semiconductor resultante recibe el nombre de P o positivo. Generalmente se utilizan como impurezas al aluminio, el boro, el galio y el indio. En este cristal existe la deficiencia de un electrón y cuando los electrones son atraídos por un potencial positivo, los electrones vecinos al átomo electropositivo se mueven.

Cuando se unen dos placas semiconductoras, una de tipo P y otra de tipo N, y se conectan a una batería con el polo positivo a la placa P y el negativo a la placa N, hay un flujo de corriente en un solo sentido, y se conoce como diodo semiconductor.

Un diodo semiconductor no se comporta de acuerdo a le Ley de Ohm. Cada tipo de diodo tiene un comportamiento característico, que depende de sus impurezas.

El símbolo utilizado en electrónica para un diodo es el siguiente (el triángula està dirigido hacia la dirección de la corriente):

Los diodos son utilizados para convertir la corriente alterna en corriente continua. Cuando la corriente pasa por un diodo, éste la deja salir sólo durante la mitad del tiempo.

1.3 Describir el transistor.

Cuando una capa de semiconductor tipo N se coloca entre dos capas de semiconductor tipo P se produce un transistor tipo PNP, y si una capa de semiconductor tipo P se coloca entre dos capas de semiconductor tipo N se produce un transistor tipo NPN.


1.3.1 Identificar los materiales utilizados en la construcción de dispositivos electrónicos .


2 Analizar los circuitos integrados.2.1 Describir los circuitos integrados.

Un circuito integrado es un dispositivo construido por capas de silicio, en la cual se combinan elementos como resistencias, transistores, diodos y capacitores. Un circuito integrado es un circuito completo de algún tipo. Los circuitos integrados se pueden combinar entre si y con otros dispositivos semiconductores para formar componentes mayores.

La característica más importante de los circuitos integrados es su tamaño, extremadamente pequeño.

2.2 Describir la construcción de circuitos integrados.

Todo el circuito se construye al mismo tiempo. Los pasos en la fabricación de un circuito integrado son:

Obtención de la oblea de Silicio

Implantación de los diferentes dispositivos sobre la oblea y de sus conexiones

Ensayo y detección de integrados defectuosos

Cortado de la oblea para la obtención de cada circuito integrado o "chip"

Conexión de patillas o "bonding"

Encapsulado

Símbolo del Transistor NPN

Símbolo del Transistor PNP


2.2.1 Explicar los pasos en la producción de los circuitos integrados.


3 Explicar los circuitos lógicos de computadora.3.1 Definición de circuito lógico.

El álgebra boleana se emplea para la lógica de dos valores, que son 0 y 1. Las operaciones que se realizan en álgebra boleana son:

Operación inversaOperación ANDOperación OROperación NANDOperación NOROperación OR

Mientras que los circuitos analógicos trabajan con voltajes que pueden variar en cualquier rango deseado, los circuitos digitales siempre se encuentran en uno de dos niveles posibles, generalmente 0 y +5 V, estos niveles representan el 0 lógico y el 1 lógico, respectivamente. Estos circuitos manejan números binarios representados como 0 o 1. El agrupamiento de los números binarios proporciona valores decimales o hexadecimales (base 16). Los tres sistemas manejan solo dígitos binarios (bits).

Los símbolos alfabéticos y otros valores numéricos pueden representarse con agrupamientos o códigos de unos y ceros.

Los circuitos lógicos son las compuertas AND, OR, los inversores y las combinaciones como las compuertas NAND. NOR y las compuertas OR excluyentes. Con estos circuitos básicos se puede construir cualquier operación lógica deseada. Todas las computadoras, microprocesadores y unidades digitales se fabrican con estas compuertas.

3.2 Describir el concepto de compuerta lógica.

Las compuertas lógicas son los circuitos que realizan las diferentes operaciones lógicas del álgebra boleana:

Operación inversa: cambia un 0 en 1, y cambia un 1 en 0.Operación AND: combina dos o mas entradas con la salida que es 1 si todas las entradas son 1.Operación OR: combina dos o mas entradas con la salida que es 1 si cualquier entrada es 1.Operación NAND: operación AND seguida de inversión.Operación NOR: operación OR seguida de inversión.Operación OR:-exclusivo: la salida es 1 si una entrada es 1, pero no si ambas entradas lo son.

3.3 Descripción de las compuertas TTL, MOSFET y CMOS

Los circuitos lógicos de computadoras están encapsulados dentro de circuitos integrados. TTL significa que son construidos con transistores bipolares en lógica transistor. Las compuertas MOSFET pueden construirse en forma nMOS, pMOS o CMOS.

Una compuerta TTL se puede utilizar para construir una compuerta NAND con 4 transistores.

Cuando cualquier entrada el circuito es baja (0 V, un cero lógico), el primer transistor (NPN) se enciende, con los cual los otros tres (también NPN) se apagan. Esto ocasiona que la señal de salida sea alta (+5 V, es 1 lógico). Solo si todas las entradas son altas la salida se vuelva baja (un 0 lógico)

Cuando se utilizan transistores MOSFET de canal n, se pueden construir circuitos nMOS.


3.3.1 Explicar con diagramas, la estructura y funcionamiento de las compuertas lógicas TTL, MOSFET y CMOS.


4 Analizar los circuitos multivibradores.4.1 Descripción de un circuito multivibrador.

Cuando

4.2 Usos de los circuitos multivibradores.


4.2.1 Con el uso de diagramas, explicar el uso y funcionamiento de circuitos multivibradores biestables para almacenar datos, como etapa de conmutación y como contadores.


5 Comprender los tipos de memoria.5.1 Analizar la memoria de solo lectura.5.2 Analizar la memoria de acceso aleatorio.


5.2.1 Explicar el funcionamiento y aplicaciones de los diferentes tipos de memoria.

V GLOSARIO

VI REFERENCIAS

Boylestad, R. L., y Nashelsky, L. 1997. Fundamentos de Electrónica. Cuarta edición. Prentice Hall Hispanoaméricana, S.A.

Tippens, P. E. 1996. Física. Conceptos y Aplicaciones. McGraw-Hill.

VII ANEXOS

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