Guía de Prácticas de Física: Experimentos y Simulaciones, Guías, Proyectos, Investigaciones de Física

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UNIDADES TECNOLÓGICAS DE SANTANDER

GUÍA DE ESTUDIO

MANUAL DE PRÁCTICAS DE

LABORATORIO DE FÍSICA

MODALIDAD REMOTA

CON SIMULADORES

UNIDADES TECNOLÓGICAS DE SANTANDER

GUÍA DE ESTUDIO

PRIMERA VERSIÓN ELABORADA POR: MSc. HENRY GUTIÉRREZ AMAYA.

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS

UNIDADES TECNOLÓGICAS DE SANTANDER

BUCARAMANGA, COLOMBIA

AGOSTO DE 2021

El modelo de formación por competencias, que se implementa desde el macro currículo, a

partir de las competencias genéricas y desde el micro currículo, con las competencias

específicas, busca integrar conocimientos, potencialidades, habilidades, destrezas,

prácticas y acciones que se manifiestan en el desempeño, en situaciones concretas y en

contextos específicos, como en el laboratorio de Física.

Es por ello que, la educación en las UTS promueve comunidades virtuales de aprendizaje

y el trabajo colaborativo, con el ánimo de la construcción de comunidades de aprendizaje,

articulando la teoría y la práctica integrando nuevas formas de enseñanza y aprendizaje

para obtener resultados más versátiles, innovadores, actualizados con educación remota.

Con esta perspectiva, se busca desarrollar la creatividad y fomentar la producción de un

pensamiento creativo, con el interés de formar una generación de ciudadanos competentes

para tolerar los cambios, aplicar la flexibilidad durante los procesos de emprendimiento y

ser receptivo de nuevas ideas y opiniones. (PEI p. 12)

Se espera entonces que este manual de prácticas de laboratorio de física para la

modalidad remota con simuladores, sea de gran ayuda al crecimiento y formación de los

estudiantes de la Facultad de Ciencias Naturales e Ingenierías de las Unidades

Tecnológicas de Santander.

Contenido

• INTRODUCCIÓN
• ACTIVIDAD VIRTUAL Práctica
• Gráficas y ajuste de datos
• ACTIVIDAD VIRTUAL Práctica
• Movimiento rectilíneo.
• ACTIVIDAD VIRTUAL Práctica
• Fricción y distancia de frenado.
• ACTIVIDAD VIRTUAL Práctica
• Movimiento parabólico.
• ACTIVIDAD VIRTUAL Práctica
• Caída libre y resistencia del aire.
• ACTIVIDAD VIRTUAL Práctica
• Ley de Hooke.
• ACTIVIDAD VIRTUAL Práctica
• Equilibrio con fuerzas coplanares.
• ACTIVIDAD VIRTUAL Práctica
• Ley de Coulomb.
• ACTIVIDAD VIRTUAL Práctica
• Líneas de campo eléctrico.
• ACTIVIDAD VIRTUAL Práctica
• Capacitancia.
• ACTIVIDAD VIRTUAL Práctica
• Resistencia eléctrica.
• Ley de Ohm. Resistores en serie y paralelo.
• ACTIVIDAD VIRTUAL Práctica
• Corriente y campo magnético.
• ACTIVIDAD VIRTUAL Práctica
• Líneas de campo magnético.
• ANEXOS
  • FORMATO DE INFORME EXPLICADO
  • FORMATO DE PREINFORME EXPLICADO
  • FORMATO DE INFORME
  • FORMATO DE PREINFORME

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GUÍA DE ESTUDIO

UNIDAD

ACADÉMICA

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS

ASIGNATURA: LABORATORIO DE FÍSICA

UNIDAD TEMÁTICA MECÁNICA

ACTIVIDAD

VIRTUAL

Práctica 0 Gráficas y ajuste de datos COMPETENCIAS ESPECÍFICAS RESULTADOS DE APRENDIZAJE Conocer los procedimientos de ajuste de datos experimentales mediante regresión lineal.

• Realizar de manera correcta el

ajuste de datos mediante el

proceso de regresión lineal y la

linealización de datos.

• Interpretar la pendiente y el punto

de corte obtenidos mediante

regresión lineal y el sentido físico

que tienen estos valores según el

contexto en que se están

aplicando.

ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE

Realizar las actividades que a continuación se enuncian teniendo en cuenta las siguientes indicaciones: ACTIVIDAD 1: Investigue los siguientes temas de consulta:

1. Ajuste de mínimos cuadrados.
2. Elementos de la recta en el plano cartesiano: pendiente y punto de corte. Concepto y fórmulas.
3. Gráficas de funciones lineales. Descripción.
4. Regresión lineal y linealización. Procedimiento, ejemplos. Adicionalmente se sugiere repasar conceptos como: Cifras significativas, redondeo, notación científica, conversión de unidades y error porcentual.

EVALUACIÓN

1. Con la orientación del docente realizar ejercicios de ajuste de curvas y regresión lineal (Excel y calculadora).
2. Con la orientación del docente realizar ejercicios de cifras significativas, redondeo y notación científica.
3. Con la orientación del docente realizar ejercicios de cálculo de error porcentual. BIBLIOGRAFÍA

Devore, Jay L. (2008). Probabilidad y Estadística para Ingeniería y Ciencias. International

Thomson Editores. 7ª Ed. México. Disponible en

https://eduvirtual.cuc.edu.co/moodle/pluginfile.php/523765/mod_resource/content/1/prob

abilidadyestadisticaparaingenieriaycienciasbyjaydevore- 140821100838 - phpapp02.pdf

Fecha de consulta: diciembre 2020.

Canavos, George C. (1988) Probabilidad y Estadística. Aplicaciones y Métodos. McGraw-

Hill. México. Disponible en https://gsosa61.files.wordpress.com/2008/03/10-canavos-g-

probabilidad-y-estadistica-aplicaciones-y-metodos.pdf Fecha de consulta: diciembre

Walpole, Ronald E.; Raymond, H.; Myers, Sharon L. (2012) Probabilidad y Estadística

para Ingenieros. Editorial Pearson. México. Disponible en

https://vereniciafunez94hotmail.files.wordpress.com/2014/08/8va-probabilidad-y-

estadistica-para-ingenier-walpole_8.pdf Fecha de consulta: diciembre 2020.

Rouaud, Mathieu. (2013) Probability, Statistics and Estimation. Disponible en

http://www.incertitudes.fr/book.pdf Fecha de consulta: diciembre 2020.

FIGURA 1

MOVIMIENTO EN FUNCIÓN DE LA MASA COLGANTE

Debe realizar cinco ensayos y completar la tabla 1. c. Dar clic en el botón “Masses”. d. En el recuadro “Hover Puck” puede variar la masa M del deslizador. Ajústela en M=200 g. e. En el recuadro “Hanging mass” puede variar la masa m colgante. Ajústela en m=10 g. f. Dé clic en el botón “Return”. g. Inicie la simulación dando clic en el botón “Start”. Observe el movimiento de las masas y los datos de la tabla “Position (cm) vs Elapsed Time (ms)”. h. Tome captura de pantalla y guárdela. i. Repita los pasos c) al h) cambiando la masa colgante m en el paso e por cada uno de los valores indicados en la tabla 1. TABLA DE DATOS ENSAYO M [g] m [g] 1 200

TABLA 1

EVALUACIÓN

1. Convierta los datos de posición d de [cm] a [m] y los de tiempo t de [ms] a [s] para las tablas obtenidas en las capturas de pantalla de cada uno de los ensayos. Registre sus resultados en las respectivas tablas de los ensayos (tabla 2). A continuación, complete dichas tablas calculando los valores de t^2. ENSAYO 1 t [s] t^2 [s^2 ] d [m]

ENSAYO 2

t [s] t^2 [s^2 ] d [m]

ENSAYO 3

t [s] t^2 [s^2 ] d [m]

ENSAYO 4

t [s] t^2 [s^2 ] d [m]

ENSAYO 5

t [s] t^2 [s^2 ] d [m] TABLA 2

2. Realice las gráficas de posición [m] vs tiempo [s] (d vs t) para cada uno de los ensayos. Las gráficas deben quedar en una misma cuadrícula.
3. Con base en las condiciones del experimento y en las gráficas del punto 2: ¿Qué tipo de movimiento se supone que realizó el deslizador? Argumente su respuesta.
4. Realice las gráficas de posición [m] vs tiempo^2 [s^2 ] (d vs t^2 ) para cada uno de los ensayos. Las gráficas deben quedar en una misma cuadrícula.
5. Realice el ajuste de regresión lineal para cada una de las gráficas d vs t^2 del punto 4. Determine para cada una de las gráficas la ecuación de la recta del respectivo del ajuste, con la pendiente y el punto de corte. Determine también el coeficiente de correlación de cada ajuste.
6. A partir de las pendientes obtenidas en el punto 5 determine la aceleración [m/s^2 ] del deslizador en los respectivos ensayos (valor experimental).
7. Con la masa del deslizador, la masa colgante y la gravedad (g=9,8 [m/s^2 ]) determine la aceleración [m/s^2 ] del deslizador en cada ensayo (valor teórico).
8. Calcule para cada ensayo el error porcentual para la aceleración del deslizador.
9. Ordene los resultados de los puntos 5, 6, 7 y 8 en la tabla 3. ENSAYO Pendiente regresión Aceleración Expe [m/s^2 ] Aceleración Teór [m/s^2 ] %Err 1 2 3 4 5 TABLA 3

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ACADÉMICA

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS

ASIGNATURA: LABORATORIO DE FÍSICA

UNIDAD TEMÁTICA MECÁNICA

ACTIVIDAD

VIRTUAL

Práctica 2 Fricción y distancia de frenado. COMPETENCIAS ESPECÍFICAS RESULTADOS DE APRENDIZAJE Evalúa las leyes de la Física Clásica (Mecánica), a través de la experimentación, aplicación y análisis de resultados obtenidos en pruebas virtuales de prácticas de laboratorio, para desarrollar un pensamiento crítico e innovador. Identificar la relación entre distancia de frenado y la velocidad inicial aplicando el principio de conservación de energía en un fenómeno físico. ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE Realizar las actividades que a continuación se enuncian teniendo en cuenta las siguientes indicaciones: ACTIVIDAD 1: Investigue los siguientes temas de consulta:

1. Movimiento rectilíneo uniforme acelerado. Características, fórmulas.
2. Fuerza de fricción (Definición, tipos de fricción, fórmula y unidades).
3. Coeficiente de rozamiento. (Definición, fórmula y unidades).
4. Energía cinética (Definición, fórmula y unidades)
5. Trabajo de rozamiento (Definición, fórmula y unidades).
6. Ley de conservación de la energía mecánica (Concepto y fórmula). ACTIVIDAD 2: Realizar la simulación: Para ello siga estos pasos: a. Ingrese a la página http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/StoppingDistanceLab/ y dé clic en el botón “Begin”.

FIGURA 1

b. En la pantalla del simulador (ver figura 1), en el recuadro inferior, dar clic en “Mass” en la flecha y ajuste la masa del carro en 2000 [kg]. PRIMERA PARTE: CAMINO SECO / LLANTAS NUEVAS (Dry Road / New Tires) c. En la pantalla del simulador (ver figura 1), en el recuadro inferior, dar clic en “Speed” en la flecha y ajuste la rapidez inicial del carro en 5 [m/s]. d. En la pantalla del simulador (ver figura 1), oprimir el botón “Start” arriba a la derecha. e. Espere la aparición del aviso “Stop” para dar clic en “Brake”. f. Tome captura de pantalla y guárdela. g. En la tabla 1, registre la distancia recorrida (medida desde el 0 de la escala) en la casilla respectiva a la velocidad inicial del ensayo. h. Dar clic en el botón “Return”. i. Repita los pasos c al h, cambiando en el paso c la velocidad y realice los ensayos hasta completar la primera parte de la tabla 1. SEGUNDA PARTE: LLUVIA / LLANTAS VIEJAS (Raining / Old Tires) j. Dar clic en la parte superior de la pantalla del simulador, donde dice “Dry Road / New Tires” hasta que aparezca “Raining / Old Tires”. k. Repita los pasos c al h, cambiando en el paso c la velocidad y realice los ensayos hasta completar la segunda parte de la tabla 1.

EVALUACIÓN

1. A partir de los datos registrados en la tabla 1, realice en una misma cuadrícula las gráficas de 𝑑[𝑚] vs 𝑉𝑖^2 [𝑚^2 /𝑠^2 ] tanto para la parte 1 como para la parte 2.
2. Calcule para cada gráfica y mediante regresión lineal: la pendiente, el punto de corte y el factor de correlación. ¿Qué significado tiene la pendiente?
3. Determine a partir del valor de la pendiente la aceleración del carro para cada caso (parte 1 y parte 2).
4. Determine a partir del valor de la aceleración obtenida en el ítem anterior, para cada caso, el coeficiente de rozamiento entre las llantas y la vía (valores experimentales).
5. Asumiendo* como valor teórico 𝜇𝑠𝑒𝑐𝑜 = 0 , 7 y 𝜇𝑙𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 = 0 , 4 para los coeficientes de rozamiento para pavimento seco y con lluvia respectivamente, determine los errores porcentuales tomando los valores experimentales del punto 4. *https://www.race.es/wp-content/uploads/2014/04/InformeRACEGOODYEAR-Neumaticos-y- asfalto- 2014 - juntos-por-tu-seguridad.pdf
6. Ordene sus resultados en la tabla 2. Pendiente regresión Aceleración Coeficiente de rozamiento (Exper) Coeficiente de rozamiento (Teór) Error porcentual 𝜇 PARTE 1 0, PARTE 2 0, TABLA 2

BIBLIOGRAFÍA

Serway, Raymond. (2000) FISICA Tomo I. 7ª Ed. McGraw Hill. México

Sears & Zemansky. (1999) Física Universitaria. Volumen I. 11ª Ed. Pearson Education.

México.

Ohanian, Hans; Markert, Jhon. (2009). Física para ingeniería y ciencias. Volumen 1. 3ª

Ed. Mc Graw Hill. México.

Resnick, R. y Halliday, D. (1997). Física. Tomo I. Editorial C.E.C.S.A. México

Alonso, M. y Finn, E. (1995). Física. 1ª Ed. Editorial Pearson. México.

Simulaciones interactivas para Ciencias y Matemáticas. Disponible en

http://www.thephysicsaviary.com Fecha de consulta: diciembre 2020

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ASIGNATURA: LABORATORIO DE FÍSICA

UNIDAD TEMÁTICA MECÁNICA

ACTIVIDAD

VIRTUAL

Práctica 3 Movimiento parabólico. COMPETENCIAS ESPECÍFICAS RESULTADOS DE APRENDIZAJE Evalúa las leyes de la Física Clásica (Mecánica), a través de la experimentación, aplicación y análisis de resultados obtenidos en pruebas virtuales de prácticas de laboratorio, para desarrollar un pensamiento crítico e innovador. Relacionar el alcance horizontal de un proyectil con la velocidad de disparo y la aceleración gravitacional en el movimiento parabólico en prácticas de fenómenos físicos. . ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE Realizar las actividades que a continuación se enuncian teniendo en cuenta las siguientes indicaciones: ACTIVIDAD 1: Investigue los siguientes temas de consulta:

1. Elementos de la cinemática (trayectoria, desplazamiento, velocidad, aceleración). Fórmulas y conceptos.
2. Movimiento parabólico. Características, concepto, ejemplos y fórmulas de: posición, desplazamiento, velocidad, aceleración.
3. Movimiento parabólico. Representación gráfica de los vectores: posición, velocidad, aceleración.
4. Movimiento parabólico. Alcance horizontal, altura máxima y tiempo de vuelo. Fórmulas y ejemplos.
5. Energía potencial gravitacional y energía cinética (conceptos, fórmulas y unidades).
6. Principio de conservación de la energía. Concepto y aplicaciones. ACTIVIDAD 2: Realizar la simulación. Para ello siga estos pasos: a. Ingrese a la página https://phet.colorado.edu/sims/html/projectile-motion/latest/projectile-motion_es.html b. Dar doble clic en el recuadro “Introducción”. Accede al simulador (figura 1).

TABLAS DE DATOS

ENSAYO 𝑉𝑖 [𝑚/𝑠] 𝑉𝑖^2 [𝑚^2 /𝑠^2 ] 𝑅 [𝑚]

TABLA 1

EVALUACIÓN

1. Complete la tabla 1, calculando los valores de 𝑉𝑖^2.

2. Con los datos de la tabla 1, realice la gráfica 𝑅 vs 𝑉𝑖^2. Aplique regresión lineal y determine la

pendiente, el punto de corte y el coeficiente de correlación.

3. A partir de la regresión lineal realizada en el punto 2, determine la ecuación de la recta para la

gráfica 𝑅 vs 𝑉𝑖^2. ¿Qué significado tienen la pendiente y el punto de corte?

4. A partir de la pendiente de la gráfica 𝑅 vs 𝑉𝑖^2 determine la magnitud de la aceleración

gravitacional del proyectil (valor experimental).

5. Calcule el error porcentual para la magnitud de la aceleración gravitacional. Asuma como valor teórico 𝑔 = 9 , 8 𝑚 ⁄𝑠 2.
6. Ordene sus resultados en la tabla 2. Pendiente regresión g (experimental) [m/s^2 ] g (teórico)[m/s^2 ] %Err TABLA 2
7. Calcule el valor teórico del alcance en cada ensayo. Luego calcule el error porcentual para el alcance en cada ensayo. Asuma los valores registrados en la tabla 1 como experimentales. Registre sus resultados en la tabla 3. ENSAYO 𝑉𝑖 [𝑚/𝑠] 𝑅 [𝑚] Teor 𝑅 [𝑚] Exper %𝐸𝑟𝑟 1 12 2 13 3 14 4 15 5 16 TABLA 3

BIBLIOGRAFÍA

Serway, Raymond. (2000) FISICA Tomo I. 7ª Ed. McGraw Hill. México

Sears & Zemansky. (1999) Física Universitaria. Volumen I. 11ª Ed. Pearson Education.

México.

Ohanian, Hans; Markert, Jhon. (2009). Física para ingeniería y ciencias. Volumen 1. 3ª

Ed. Mc Graw Hill. México.

Resnick, R. y Halliday, D. (1997). Física. Tomo I. Editorial C.E.C.S.A. México

Alonso, M. y Finn, E. (1995). Física. 1ª Ed. Editorial Pearson. México.

University of Colorado Bouder. Simulaciones interactivas para Ciencias y Matemáticas.

Disponible en https://phet.colorado.edu/ Fecha de consulta: diciembre 2020