Guía de estudio: Física I, Ejercicios de Física

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Física I

[Guía de estudio]

PRIMER

SEMESTRE

https://huelladigital.cbachilleres.edu.mx

CRÉDITOS

Autores: Adriana Soledad Tovilla Celestino Díaz Sánchez Ricardo González Gómez Coordinador: Ricardo González Gómez Revisión pedagógica: Jorge Alberto Flores Becerril

Con la finalidad de que todos nuestros estudiantes tengan herramientas pertinentes para seguir con su preparación académica, además de orientaciones precisas respecto de los contenidos esenciales, se ha elaborado la presente guía. Se abordarán, de manera sintética, los aprendizajes señalados en el programa de estudios que se refieren al desarrollo, evolución y aplicación de la tecnología actual desde la perspectiva de la Física. En el primer corte de aprendizaje, “Sistemas Físicos”, se desarrollan los conceptos de variables en un sistema físico y las magnitudes en las que se pueden medir, para que entiendas como estas se utilizan a diario en tu entorno. En el segundo corte de aprendizaje, “Movimiento Rectilíneo Uniforme”, se analiza el concepto de movimiento, entendiendo los conceptos de velocidad y aceleración y con ello deducir a que nos referimos cuando hablamos de movimiento rectilíneo uniforme y acelerado. El tercer corte de aprendizaje, “Fuerza y Energía”, estudia de manera general como la interacción de una fuerza aplicada sobre un sistema mecánico le produce un cambio en su estado de movimiento, además se considera también el concepto de energía desde el punto de vista de la mecánica. También se proporciona una bibliografía básica que fue utilizada para la elaboración de la presente guía, además encontraras otras sugerencias bibliográficas como algunos sitios de interés que te proporcionaran mayor profundidad en el estudio de los conceptos revisados. ¿Cómo aumentar tu probabilidad de éxito mediante la utilización de esta guía? La respuesta es simple, observa las siguientes reglas: ✓ Convéncete de que tienes la capacidad necesaria para acreditar la asignatura. ✓ Dedícale un tiempo de estudio a este material. ✓ Realiza las lecturas y contesta los ejercicios que se solicitan, si tienes duda vuelve a revisar el material. ✓ Revisa las actividades propuestas y, en la medida de lo posible, realízalas de manera completa. ✓ Considera la sección “ Conoce + ” como una opción para reforzar y profundizar en los aprendizajes adquiridos tanto en clase como en el estudio de la guía. ✓ Contesta toda la guía, es importante que no dejes el trabajo a la mitad.

• PRESENTACIÓN
• INTRODUCCIÓN
• CORTE DE APRENDIZAJE
  • Propósito
  • Conocimientos previos
  • Evaluación diagnóstica
  • Contenidos
  • Actividad de aprendizaje
  • Autoevaluación
  • Fuentes consultadas
• CORTE DE APRENDIZAJE
  • Propósito
  • Conocimientos previos
  • Evaluación diagnóstica
  • Contenidos
  • Actividad de aprendizaje
  • Autoevaluación
  • Fuentes consultadas
• CORTE DE APRENDIZAJE
  • Propósito
  • Conocimientos previos
  • Evaluación diagnóstica
  • Contenidos
  • Actividad de aprendizaje
  • Autoevaluación
  • Fuentes consultadas
• EVALUACIÓN FINAL

Sistemas Físicos Aprendizajes esperados:

1. Explica que es una magnitud física y el uso que hacemos de este concepto.
2. ¿Cómo se puede medir una magnitud física? Relaciona la magnitud física con la unidad con la que se mide.

Al finalizar este corte, serás capaz de identificar la relación entre variables, magnitudes escalares y vectoriales de forma cualitativa y cuantitativa mediante la observación, representación y manipulación experimental, para explicar el comportamiento de diversos sistemas físicos de tu entorno.

Instrucciones: Escribe en el paréntesis de la izquierda le letra de la respuesta correcta, o responde para cada una de las siguientes preguntas.

1. ( ) ¿Cuál de las siguientes gráficas representa una proporcionalidad directa? 2. ( ) Si x e y son directamente proporcionales, cuando x=15, y=60 ¿Cuál de las siguientes opciones no es un posible par de valores correspondientes a x, y? a) 20 y 5 b) 4 y 1 c) 12 y 3 d) 1 y 4 3. ( ) El sistema Internacional es un sistema de: a) Leyes b) Prefijos c) Magnitudes d) Unidades 4. ( ) El Pascal (Pa) es una unidad: a) Derivada b) Fundamental c) Vectorial d) Ninguna de las anteriores

5. ( ) Es una magnitud vectorial: a) Temperatura b) Presión c) Fuerza d) Potencia 6. ( ) Son ejemplos de magnitudes derivadas: a) Masa, longitud, tiempo b) Fuerza, volumen, longitud c) Peso, densidad, volumen 7. ( ) La unidad de fuerza en el Sistema Internacional es: a) Nm b) J/s c) kgm/s^2 d) J 8. ( ) Entre los aviones comerciales, los más rápidos actualmente son el A33Neo, de Airbus, con una velocidad máxima de 1061 km/h ¿Cuál es esta rapidez en m/s? a) 294.72 m/s b) 3.819X10^6 m/s c) 3819.6 m/s d) 2947.2 m/s 9. ( ) Un disco duro tiene una capacidad de 2 000 000 000 000 bytes, ¿Utilizando un prefijo cómo lo llamarías? a) 2 Gb b) 2 Pb c) 2 Mb d) 2 Tb 10. ( ) Los rayos X tienen una longitud de onda menor a 0.00000001 m, ¿Qué cantidad es esta en notación científica? a) 1X10-^8 b) 1X10^7 c) 1X10^8 d) 1X10-^7

experimentando con él, de tal manera que podemos analizar un fenómeno y explicarlo cuando se tiene la oportunidad de describirlo y cuantificarlo al obtener valores respecto a las magnitudes de las variables involucradas. Las variables se pueden clasificar en:

• Variables cualitativas: Reciben este nombre aquellas variables cuyos elementos de variación tienen un carácter cualitativo no susceptible de medición numérica, por ejemplo: el sexo (sólo hay dos clases: hombre o mujer).
• Variables cuantitativas : Son aquellas en que las características o propiedades pueden presentarse en diversos grados o intensidad y tienen un carácter numérico o cuantitativo, como, por ejemplo: nivel de ingresos, deserción escolar, la calificación de algún estudiante.
• Variable independiente: Variables que el investigador manipula y/o mide para ver los efectos que produce sobre otra variable. Ejemplo: La temperatura de cocción de un alimento, sí se manipula esta variable afectará al tiempo de cocción el cual podrá ser menor o mayor. En este ejemplo la variable independiente es la temperatura.
• Variable dependiente: Variables cuyos valores van a depender de los valores de la o las variables independientes. En este caso un ejemplo sería el tiempo de cocción del alimento, ya que el tiempo depende de la temperatura. Figura 2. La cocina… ¡Un lugar de variables! El tiempo de cocción depende de la temperatura. Por tanto, el tiempo es la variable dependiente. Y la temperatura que sí podemos manipular (aumentando la intensidad de la flama o disminuyéndola) es la variable independiente Relaciones de proporcionalidad Los científicos al estudiar los fenómenos que se producen en la naturaleza, comprueban que, en ellos, generalmente hay dos o más magnitudes relacionadas entre sí. Esto significa que al variar una de las magnitudes, la otra también cambia. Por ejemplo, al aumentar el peso suspendido en un resorte, su longitud aumenta; otro ejemplo es la relación entre la velocidad de un auto y el tiempo que realiza al recorrer una distancia conocida, cuando la velocidad aumenta, el tiempo disminuye. Cuando una magnitud varía en relación a otra, decimos que es una función de la otra.

Figura 3. La longitud del resorte es función del peso Figura^4_. El tiempo en que el auto hace en recorrer una distancia es función de su velocidad_ Proporción directa Cuando dos magnitudes están relacionadas, sí una aumenta, la otra también aumenta; si se duplica, el valor de una de ellas, la otra también se duplica, al triplicar la primera, la segunda también queda multiplicada por tres y así sucesivamente, pero siempre guardando la misma proporción. Siempre que esto sucede, decimos que existe entre ambas magnitudes una proporción directa. Sus características son:

• La gráfica es una línea recta que pasa por el origen de coordenadas. Figura 5. Gráfica que muestra una proporción directa
• Función de la forma: 𝑦 = 𝑘 ∙ 𝑥
• La constante de proporcionalidad , es el valor que relaciona las dos cantidades (k) y lo puedes calcular con la siguiente fórmula: 𝑘 = 𝑦 𝑥 Proporción inversa Otra relación que se da muy a menudo cuando se relacionan dos magnitudes en un experimento, es la proporción inversa. Esta consiste en que cuando una magnitud aumenta, la otra disminuye en un mismo factor; y si una de las variables disminuye, la otra aumenta en un mismo factor. “A más… menos y a menos… más”. Sus características son:
• La gráfica es una curva llamada hipérbola, probablemente el ejemplo más común de proporción inversa es la ley de Boyle, donde la mayor presión ejercida sobre un gas resulta en un menor volumen.

cada mano. Pero un buen día, alguien tuvo la idea de poner en equilibrio una tabla con una roca en medio y colocar dos objetos en ambos extremos de la tabla, así el objeto que más bajara era el de mayor peso. Se había inventado la primera y burda balanza. Figura 8. Balanza egipcia Para medir la longitud, el hombre recurría a medidas tomadas de su propio cuerpo. Los egipcios usaban la brazada, cuya longitud equivalía a las dimensiones de un hombre con los brazos extendidos. Los ingleses usaban como patrón la longitud del pie de su rey. Los romanos usaban el paso y la milla equivalente a mil pasos. Para ellos un paso era igual a dos pasos de los actuales, pues cada uno era doble, ya que cada pie daba un avance. Figura 9. En la antigüedad las medidas de diferentes longitudes se basaban en las proporciones del cuerpo También se utilizaron otras partes del cuerpo humano; el codo era la distancia desde el codo hasta el extremo del dedo medio; el palmo o la cuarta era la distancia entre el extremo del dedo pulgar y el meñique al estar abierta la mano. La elección de la unidad de medida de longitud se convirtió en una cuestión de prestigio, pues era inconcebible que una nación utilizara la medida de alguna parte del cuerpo del soberano de otro país. Por tanto, cada vez se crearon más unidades diferentes, y cada país poderoso tenía sus propias medidas. Es fácil imaginar el desconcierto reinante en esos tiempos para el comercio entre los pueblos. Cuando Roma se integra en un imperio y conquista muchos territorios (siglo II a. C. al siglo IV d. C.) trata de poner orden a la diversidad de unidades y establece la libra como unidad de peso y el pie como unidad de longitud; para ello, modela un cuerpo representativo del peso de una libra patrón y una barra de bronce que muestre la longitud equivalente al pie. Por primera vez existía una misma forma de pesar y de medir longitudes. Cuando se dio la

decadencia del Imperio Romano y el poder político y económico que ejercía quedó en ruinas, nuevamente surgió la anarquía en las unidades de medida, la cual duró todo el periodo de la Edad Media (siglo V al siglo XV d. C.). Fue hasta 1790 cuando la Asamblea Constituyente de Francia, por medio de la Academia de Ciencias de París, extendió una invitación a los países para enviar a sus hombres de ciencia con el objeto de unificar los sistemas de pesas y medidas, y adoptar uno solo para todo el mundo. Sistema Métrico Decimal El primer sistema de unidades bien definido que hubo en el mundo fue el Sistema Métrico Decimal, implantado en 1795 como resultado de la Convención Mundial de Ciencia celebrada en París, Francia; este sistema tiene una división decimal y sus unidades fundamentales son: el metro, el kilogramo-peso y el litro. Además, para definir las unidades fundamentales utiliza datos de carácter general, como las dimensiones de la Tierra y la densidad del agua. TED - Ed (2016). Por qué el sistema métrico importa – Matt Anticole (Video). https://www.youtube.com/watch?v=7bUVjJWA6Vw Sistema Internacional de Unidades En virtud de que en el mundo científico se buscaba uniformidad en un solo sistema de unidades que resultara práctico, claro y acorde con los avances de la ciencia, en 1960 científicos y técnicos de todo el mundo se reunieron en Ginebra, Suiza, y acordaron adoptar el llamado: Sistema Internacional de Unidades (SI). Este sistema se basa en el llamado MKS, cuyas iniciales corresponden a metro, kilogramo y segundo. El empleo del SI como único sistema que el hombre utilice a nivel científico y comercial en todo el mundo representa no sólo el avance de la ciencia, sino también la posibilidad de emplear un lenguaje específico para expresar cada magnitud física en una unidad de medida basada en definiciones precisas respecto a fenómenos y situaciones naturales. Con el uso del SI ya no interpretaremos longitudes en pies, millas, yardas, pulgadas, millas marinas, millas terrestres o leguas, pues con el metro y los prefijos que más adelante veremos, podemos expresar cualquier longitud por pequeña o grande que sea. Lo mismo sucede para la masa, en la cual en lugar de onzas, libras y toneladas sólo emplearemos al kilogramo con sus múltiplos y submúltiplos, cuyos prefijos son los mismos del metro y de las diferentes unidades de medida. Esperemos que, en poco tiempo, con el progreso de la ciencia y de la humanidad, el único sistema utilizado por sus múltiples ventajas sea el Sistema Internacional de Unidades. Magnitudes fundamentales y derivadas Reciben el nombre de magnitudes fundamentales aquellas que no se definen en función de otras magnitudes físicas y, por tanto, sirven de base para obtener las demás magnitudes

Magnitud Nombre de la unidad Símbolo Área metro cuadrado m^2 Aceleración metro sobre segundo cuadrado m/s^2 Volumen metro cúbico m^3 Densidad kilogramo sobre metro cúbico Kg/m^3 Velocidad metro sobre segundo m/s Resistencia eléctrica ohms W Fuerza newton N Frecuencia hertz Hz Energía joules J Potencia watts W Presión pascal Pa Diferencia de potencial volts V Carga eléctrica coulomb C Flujo magnético weber Wb Capacitancia faradio F Inductancia henry H Tabla 2. Magnitudes derivadas del SI Scienza Educacion (2020). Magnitudes Físicas | Fundamentales y derivadas | Escalares y vectoriales (Video). https://www.youtube.com/watch?v=qFOTQ7yMtzk

Conversión de unidades En la solución de problemas de física, con frecuencia las magnitudes de las cantidades físicas están expresadas en diferentes unidades. Por ejemplo, si en un problema la masa de un objeto está expresada en gramos y la queremos sumar con otra enunciada en kilogramos, efectuar la operación requiere que ambas magnitudes estén manifestadas en gramos o kilogramos, es decir, en las mismas unidades. Matemáticamente se necesita efectuar lo que se llama conversión de unidades. Para realizar esta operación se aplica el método del factor unitario, el cual explicaremos con los siguientes ejemplos: Primero debemos de conocer las equivalencias entre las diferentes unidades, esta tabla les será de mucha utilidad. MateFacil (2016). Cómo convertir g/cm^3 a kg/m^3 (unidades de densidad) (Video). https://www.youtube.com/watch?v=vWLotwNtjrY Ejemplos: 1.- En el supermercado venden paquetes de fresas congeladas de 2 libras (lb), si deseamos saber cuánto son 2 lb en gramos, realizamos lo siguiente:

• De la tabla de equivalencias identificamos la equivalencia que nos ayudarán a convertir, en este caso: 1 lb=454 gr
• Realizar una conversión de una magnitud fundamental se hace fácilmente planteando una regla de tres que contenga el factor de equivalencia y la cantidad a convertir. ¡Observa!

• Al resolver esta operación tenemos que:

Por lo tanto 2 lb equivalen a 908 grs.

2.- El área de un cartel de publicidad es de 800 cm^2. Expresa esta magnitud en m^2.

• Primero hay que tener a la mano el factor de equivalencia: 1 𝑚 = 100 𝑐𝑚

Por lo tanto: ( 1 𝑚)^2 = ( 100 𝑐𝑚)^2

1 𝑚^2 = 10000 𝑐𝑚^2

• Ahora se establece la regla de tres como en el ejemplo anterior: 1 𝑚^2 − 10000 𝑐𝑚^2 𝑥 − 800 𝑐𝑚^2