• Author / Uploaded
• Nadewrwerewra

• Categories
• Point and Click
• Movimiento (física)
• Ventana (informática)
• Física y matemáticas
• Física

Citation preview

Universidad Nacional Abierta y a Distancia (UNAD) Colombia Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería (ECBTI) Curso de Física General (100413)

GUÍA DE ACTIVIDADES PARA LABORATORIO VIRTUAL

Práctica Alternativa Número 3 Unidad 2 de Física General:

CONSERVACION DE LA ENERGIA EN LA PISTA VERTICAL LISA

Temáticas que se revisarán: Unidad 2 ONDAS Y ENERGÍA Capítulo 4, Energía y Potencia Lección 22 Conservación de la Energía

Aspectos generales del trabajo: En esta actividad el estudiante, con ayuda del simulador, podrá hacer un estudio práctico de un sistema donde la aplicación directa de las Leyes de Newton no es el método más conveniente para su análisis. El movimiento a lo largo de pistas sin rozamiento de formas diferentes a la rectilínea presenta características que se manejan a través de los conceptos de energía cinética y potencial. Uno de los grandes principios de la Física, el de conservación de la energía, es el que permite dar razón de esos movimientos.

Estrategia de aprendizaje propuesta: Aprendizaje basado en problemas.

Peso evaluativo:

El peso corresponde al asignado al trabajo colaborativo número 2 en la agenda del curso, que abarca tres prácticas.

Producto esperado: Informe de laboratorio enviado al tutor del curso por el correo interno o personal, este informe debe contener:       

Portada Introducción Descripción del sistema físico y Procedimiento Resultados Experimentales Confrontación Teoría/Experimento Conclusiones Fuentes de Información

El nombre del archivo debe llamarse nombre_apellido_grupo_Lab_1_Física, Ejemplo, si el informe lo realiza Victor Manuel Bohórquez que pertenece al grupo 52, debe enviar el archivo así: Victor_Bohórquez_100413_52_Lab_3_U2_Fisica. El archivo debe ser enviado en formato PDF.

Cronograma de las actividades: El tiempo para la realización de la práctica es el mismo que se asigna al trabajo colaborativo 2 en la agenda del curso.

Objetivos del trabajo colaborativo:    

Conocer un sistema donde el movimiento de un cuerpo no se desarrolla con aceleración constante. Detectar las características generales de los movimientos a lo largo de pistas en planos verticales, donde la fuerza impulsora es la gravedad. Familiarizarse con los conceptos de energía cinética y energía potencial. Aprender a usar el Principio de Conservación de la Energía para explicar cualitativamente los referidos movimientos.

 

Dominar la técnica de análisis para determinar la dependencia de la rapidez en términos de la posición de la partícula en el espacio. Entrenarse en el método de los cambios de variable para linealizar una relación entre variables y poder aplicar el método de mínimos cuadrados para deducir la relación empírica entre ellas.

Recursos a utilizar en la práctica (equipos / instrumentos) ● Equipo de cómputo con procesador de texto y hoja numérica. ● Plataforma Java actualizada (clic aquí para descargar el instalador).  Simulador “energy-skate-park-basics_es.jar” (clic aquí para descargar el simulador) [simulador tomado de [Copyright © 2004-2011 University of Colorado; Some rights reserved; visit http://phet.colorado.edu]. ● Regla virtual (clic aquí para descargar el instalador).

ELEMENTOS DEL SIMULADOR 1. Descargue le programa simulador en su computadora y ábralo. Debe aparecer una ventana como esta:

2. Los elementos que usaremos son los siguientes:

Cuadro para activar medidores

Selector de tipo de pista

Botón para retornar patinador Botón para reinicializar simulador Pista

Patinador

Conmutador de cámara normal/lenta

Interruptor para avanzar/detener

Botón para paso

Punto de referencia del patinador

En el selector de tipo de pista hay tres íconos que funcionan como botones para elegir la forma de pista:  Pista parabólica.  Pista para descenso.  Pista montaña rusa. En el cuadro para activar medidores usaremos los siguientes controles (de arriba hacia abajo):  Interruptor para mostrar gráfico de barras.  Interruptor para mostrar cuadrícula.

 

Interruptor para mostrar velocímetro. Control deslizante para ajustar la masa del patinador.

PROCEDIMIENTO La ventana del simulador tiene tres subventanas, cuyas pestañas en la parte superior izquierda están marcadas: “Introduction”, “Friction” y “Track Playground”. Solo usaremos la primera para nuestro laboratorio. En esta subventana, “Introduction”, realice todo tipo de ensayos para familiarizarse con el funcionamiento del simulador. Finalmente haga clic en el botón para reinicializar simulador y nos queda listo para comenzar el laboratorio. Instale la Regla para Windows (ver arriba la sección “Recursos a utilizar en la práctica”). Ensaye su funcionalidad (ver Apéndice al final de esta guía). Activación de medidores Maximice la ventana del simulador. En el cuadro para activar medidores, haga clic en el cuadrito correspondiente a los siguientes interruptores: interruptor para gráfico de barras, interruptor para cuadrícula, interruptor para velocímetro. De esta forma quedarán activados. Modifique el tamaño y posición de la ventana del gráfico de barras para que quede ubicada en la esquina inferior derecha de la ventana del simulador, como se ilustra en la siguiente figura (la subventana se arrastra tomándola por su banda de título):

Nota: La simulación no indica el valor de gravedad que usa. Además, el velocímetro no tiene rótulos de números o unidades. Sin embargo, algunos ensayos sencillos relacionados con energía muestran que la gravedad se ha tomado como 10 m/s 2 y que cada rayita del velocímetro corresponde a 1 m/s (la escala va entonces de 0 a 20 m/s ).

1. Examen cualitativo del movimiento en la pista parabólica Haga clic en el botón para avanzar/detener. Arrastre el patinador con el ratón para colocarlo su punto de referencia superpuesto a la pista cerca al extremo izquierdo de ésta. El patinador adaptará su orientación a la de la pista y quedará en estado de reposo. Haga clic de nuevo en el botón para avanzar/detener y de esta forma iniciar el movimiento; el patinador quedará deslizándose de ida y vuelta a lo largo de la pista. Observe cualitativamente las variaciones en su rapidez, tanto observando directamente al patinador, como relacionando esa observación con el movimiento de la aguja del velocímetro. Explique el comportamiento del móvil en base a energía, ayudándose del gráfico de barras. 2. Examen cualitativo del movimiento en la pista montaña rusa Mediante el selector de tipo de pista, seleccione la pista montaña rusa. Efectúe el mismo procedimiento que se realizó para la pista parabólica en el ítem 1. 3. Examen cuantitativo de puntos notables en la pista montaña rusa 3.1. Punto de retorno La líneas de división horizontales de la cuadrícula marcan altura sobre el terreno. Coloque el punto de referencia del patinador en el punto donde la línea de altura 1 m intersecta la pista. Inicie el movimiento a partir de esa posición. Observe el punto de máximo desplazamiento en el extremo derecho del recorrido (punto de retorno). Registre su altura. Repita el anterior procedimiento para alturas iniciales de otros valores y llene la siguiente tabla con los valores medidos para la altura del punto de retorno derecho: y0 (m) yretorno (m) 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

Explique los resultados obtenidos en base a consideraciones de energía.

3.2. Puntos de extremos locales Use el conmutador de cámara normal/lenta para seleccionar cámara lenta. Coloque el punto de referencia del patinador en el punto donde la línea de altura 5 m intersecta la pista. Ese lo llamaremos el Punto A. Inicie el movimiento a partir de esa posición. Los Puntos B, C y D serán los otros tres puntos donde la pista tiene extremos locales (ver siguiente figura).

Punto A Punto D Punto B Punto C

Procederemos a medir la rapidez del móvil en el punto B. Para ello, haga clic en el botón para avanzar/detener un poco antes de que el móvil llegue a B, luego haga clic en el botón para paso varias veces hasta que el punto de referencia del patinador quede ubicado en la posición del punto B. En ese momento puede usted tomar la lectura de rapidez en el velocímetro. Haga algo semejante para medir la rapidez con que el móvil pasa por los puntos C y D. Registre sus valores en una tabla.

Desarrolle el modelo teórico que permite predecir las velocidades de los puntos B, C y D a partir de la posición del punto A. Agregue columnas a la tabla para que quede de esta manera: Análisis de puntos extremos para el caso y0 = 5 m Rapidez experimental Rapidez Error Punto (m/s) Altura (m) teórica (m/s) Porcentual B C D

donde el error porcentual es la discrepancia de la rapidez experimental en cada punto con respecto a la rapidez teórica. Nota: para medir la altura del punto D use la regla virtual, pues este punto no coincide con ninguna de las líneas de la cuadrícula de la imagen del simulador). 4. Examen detallado del movimiento en la pista para descenso Usando el control deslizante para masa del patinador, ajuste el mínimo valor de masa. Mediante el selector para tipo de pista active la pista para descenso (la del centro). Ahora examinaremos el movimiento que toma lugar si liberamos el móvil desde el punto de altura 𝑦0 = 7 m . Se trata de llenar la siguiente tabla:

y (m) 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0

vexperimental (m/s) 0.0

Las lecturas de velocidad para cada altura se pueden tomar aplicando el método usado en el ítem 3.2 (pausa y pasos en cámara lenta hasta llegar al punto preciso). Independiente de estos datos, desarrolle el modelo puramente teórico para obtener una ecuación que exprese la velocidad en función de la altura de cualquier punto de la pista: 𝑣 = 𝑓(𝑦) . Nota: este paso consiste en resolver el siguiente problema simbólico:

Una pista curva sin rozamiento está ubicada dentro del campo gravitatorio g de modo que su plano es vertical. Un pequeño cuerpo es apoyado sobre ella en un punto de altura y0 y liberado desde el reposo. Determine la rapidez del cuerpo en el instante que pasa por un punto de altura y en la pista. La función 𝑓(𝑦) resulta ser no lineal. Para transformarla en una función lineal, elévela al cuadrado. El resultado será de la forma 𝑣 2 = 𝑞(𝑦) , donde q es una función lineal, o sea de primer grado en la variable y. Ahora vamos a confrontar los resultados experimentales contra el modelo teórico. Aplicaremos el método profesional para análisis de datos experimentales, que consiste en determinar una fórmula matemática empírica que represente fielmente esos datos. Se busca en lo posible que sea una función lineal, lo cual con frecuencia es fácil de lograr mediante cambios apropiados de variable. Los análisis teóricos nos llevan a ensayar, para este experimento, un ajuste de datos experimentales de la siguiente forma: marque las parejas ordenadas de la tabla como puntos en un plano cartesiano, donde el eje X represente la altura y en metros y el eje Y represente la rapidez al cuadrado 𝑣 2 en m2 /s 2 (es necesario agregar a la tabla una columna con las velocidades experimentales al cuadrado). Luego superponga en la misma gráfica la recta de regresión lineal, es decir, la recta que mejor se aproxime a esos puntos según el criterio de los mínimos cuadrados. Solicite a la hoja de cálculo que exhiba la ecuación de la recta obtenida. Entonces, en lugar de comparar cada velocidad experimental contra la correspondiente teórica, se hace una única comparación global entre la pendiente experimental de la relación 𝑣 2 versus y y la pendiente de la misma relación proveniente del análisis teórico. Consigne los resultados en la siguiente tabla: Análisis de la relación v2 versus y Pendiente Pendiente Error experimental teórica porcentual

donde el error porcentual es la discrepancia de la pendiente experimental con respecto a la pendiente teórica. Nota: esas pendientes tienen unidades, que usted debe incluir en las casillas. 5. Efecto de la masa en el movimiento Usando el control deslizante para masa del patinador, ajuste el máximo valor de masa. Con la misma pista, la de solo descenso, repita el procedimiento completo del ítem 4.,

para el mismo valor de la posición inicial: 𝑦0 = 7 m . Explicar resultados en base a la teoría.

COMENTARIOS SOBRE LA ELABORACIÓN DEL INFORME La estructura global de un informe de laboratorio es esta:  Portada Universidad, País, Fecha, Asignatura, Nombre estudiante, Título documento (Informe Laboratorio Alternativo No.4: Conservación de la Energía en la Pista Lisa).  Introducción Descripción general de la temática a estudiar, lo objetivos de la práctica, la relevancia de lo realizado.  CUERPO DEL INFORME  Conclusiones Globales Descripción global de lo que la persona ha logrado evidenciar en lo que respecta a la aplicabilidad de leyes o principios específicos de la Física. Más en general, todos los beneficios personales que logre identificar y hayan surgido como resultado de todo el proceso de actividad relacionada con la práctica de laboratorio.  Fuentes de Información El CUERPO DEL INFORME tiene a su vez las siguientes secciones:  Descripción del sistema físico.  Procedimiento experimental.  Resultados experimentales.  Desarrollo del modelo teórico.  Confrontación teoría/experimento.  Conclusiones Cada experimento que se realice como parte de una práctica de laboratorio debe llevar estas secciones. Ahora bien, cuando una práctica consta de varios experimentos, hay dos formatos para presentar esa información: 1) Modalidad experimentos fragmentados. 2) Modalidad experimentos unificados.

Modalidad experimentos fragmentados En este formato, las secciones del cuerpo del informe son las que se plantearon arriba (Descripción, Procedimiento, etc.). Cada una de esas secciones tiene subsecciones que corresponden a cada uno de los experimentos. Modalidad experimentos unificados En este formato, las secciones del cuerpo del informe está asociadas a cada uno de los experimentos realizados. Cada sección está dividida en subsecciones (numeradas o no, según se considere apropiado), que corresponden a las fases del desarrollo del experimento (Descripción, Procedimiento, etc.). Cuál de estas dos modalidades se emplee, es cuestión de criterios o conveniencias. En términos generales, la modalidad de experimentos unificados es más fácil de escribir y de leer. En el caso de esta guía, tenemos seis experimentos que han sido ordinalizados y etiquetados así: 1. Examen cualitativo del movimiento en la pista parabólica. 2. Examen cualitativo del movimiento en la pista montaña rusa. 3.1 Examen cuantitativo de puntos notables en la pista montaña rusa, Punto de retorno. 3.2 Examen cuantitativo de puntos notables en la pista montaña rusa, Puntos de extremos locales. 4. Examen detallado del movimiento en la pista para descenso. 5. Efecto de la masa en el movimiento. De esta misma manera deben estar identificados en el reporte cada uno de los experimentos, y debe figurar la información sobre su desarrollo (Descripción, Procedimiento, Resultados, Teoría, Confrontación, Conclusiones). En esta guía se solicitó explícitamente alguno de estos aspectos para este o aquel experimento, pero en realidad todos los experimentos deben llevar todos estos aspectos.

Guía elaborada por : Guillermo Yory Docente ECBTI

APÉNDICE UNA REGLA PARA WINDOWS El programa llamado “A ruler for Windows” presenta una regla que se superpone a toda otra ventana abierta y permite medir dimensiones horizontales o verticales de elementos de la pantalla. Una vez instalado, queda un ícono en el escritorio para lanzarlo. Sus marcas numéricas corresponden a pixels de pantalla. Se puede controlar mediante los pequeños botones en dos de sus esquinas o mediante teclas. Su funcionalidad más importante es esta: 1) Para arrastrar la regla con el ratón, tomarla del costado opuesto al de las rayitas. 2) Para desplazar la regla pixel por pixel en las cuatro direcciones, usar las teclas de flecha en el teclado (la regla siempre es visible, pero para que opere su funcionalidad debe estar activada, lo cual se logra haciendo clic sobre ella). 3) Para cambiar orientación de la regla entre horizontal y vertical, clic en el botón [/]. 4) Para invertir dirección de numeración creciente, tecla r (útil para medir de abajo hacia arriba). 5) Para colocar las rayitas en el costado opuesto de la regla, clic en botón [ ] . 6) Para rotular sobre la regla una lectura, clic en el costado de las rayitas. 7) Para mover la marca rotulada un pixel, combine la tecla de mayúsculas con las de flechas. 8) Para borrar la lectura rotulada, presione la tecla c. 9) Para minimizar regla, clic en botón [-]. 10) Para cerrar regla, clic en botón [x]. Otra funcionalidad se explica en el cuadro que aparece al hacer clic en el botón [?]. Algunas posibilidades útiles son: cambiar el tamaño de la regla, restringir su movimiento a solo horizontal o vertical, hacer zoom (ampliación) de la zona de pantalla que se va a medir para obtener mayor precisión. Nota: para esta práctica se necesita medir longitudes en la ventana del simulador en unidades de los metros representados en esa imagen. Eso se puede hacer mediante una conversión de pixels a esos metros, lo cual se realiza con regla de tres o mejor aún, con un factor de conversión. Tenga en cuenta que el tamaño en pixels de las celdas de la cuadrícula que aparece en la imagen depende del tamaño de la ventana del simulador. Mantenga este siempre maximizado.