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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA

FACULTAD DE CIENCIAS DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS

MANUAL DE GUIAS DE LABORATORIO DE FÍSICA I: PESQUERIA

PIURA - PERU 2007-II

LABORATORIO DE FÍSICA DAF – FC – UNP

1°

2°

3°

4°

5°

Práctica

Práctic a

Práctic a

Práctic a

Nota

Nota

Práctic Promedi a o

Final

Informes

Evaluació n de Entrada

CURSO

:

________________

ALUMNO (A)

:

________________ ________________

CÓDIGO

:

________________

FACULTAD

:

________________

PROGRAMACIÓN DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO: SEMANA: SEMANA _______

DÍA: DÍA _______

HORA: HORA _______

PROF. DE TEORÍA

:

________________

JEFE DE PRÁCTICA

:

________________

39

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ORGANIZACIÓN DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO 1. LAS PARTES DE LAS PRACTICAS DEL LABORATORIO Una sesión de laboratorio consiste de varias partes que se detallan a continuación:  La lectura del manual;  La prueba de entrada;  La toma de datos;  El análisis de los datos;  La elaboración de un informe;  La evaluación de su trabajo por el Jefe de Práctica. En las hojas correspondientes del manual, anotará sus observaciones y conclusiones respecto al laboratorio y todo lo que tenga que ver con la práctica: los cálculos, mediciones hechas a mano, características del equipo utilizado; las respuestas a las preguntas; etc. No es aceptable utilizar cálculos sobre hojas sueltas. Si es necesario hacer un cálculo, esté debe ir en el manual. Es importante que la información esté completa, la redacción bien hecha, legible y ortografía correcta. Su Jefe de Práctica le indicará la manera en que revisará sus informes. 2. LA LECTURA DEL MANUAL  La lectura del manual antes de venir al laboratorio es indispensable.  El manual contiene un breve resumen de la teoría de los experimentos que van a realizar.  Para que pueda analizar correctamente los experimentos a realizar es necesario que comprenda bien la parte teórica.  Después de la parte teórica vienen las guías de laboratorio propiamente dichas.  Las guías de laboratorio no son del tipo “recetas de cocina”, con cada paso dado con tanto detalle que se pueda sacar buenos resultados con los ojos cerrados y una mano atada a la espalda. Al contrario, proponen solamente las líneas generales a seguir, tanto en la ejecución del experimento como en el análisis de los datos. Por eso es necesario estudiar la guía antes de venir al laboratorio.  Al llegar al laboratorio, usted debe tener alguna idea de cómo se realiza el experimento, de que parámetros van a seguir como variables, de que combinaciones de variables darán una línea recta en un gráfico, etc.  Para incentivarlo a estudiar el manual se toma una prueba de entrada. 3. LA PRUEBA DE ENTRADA  Como se a explicado en el acápite anterior, es indispensable leer la guía de laboratorio. Para controlar eso hay una prueba de entrada que se toma en los 10 primeros minutos de la práctica de laboratorio. 39

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 Si usted llega tarde, tendrán menos tiempo para la prueba, que se basa exclusivamente en el contenido del manual. 4. LOS DATOS EEXPERIMENTALES  El primero de los objetivos de las prácticas de laboratorio es que usted aprenda a manejar los equipos correctamente, y el segundo es que desarrolle sus capacidades creativas e investigativos con respecto al trabajo experimental.  La evidencia de su dominio de un experimento se muestra en los datos obtenidos y en la manera de presentarlos en las tablas indicadas.  En la mayoría de las prácticas utilizará papel milimetrado o computadora para analizar y hacer los gráficos. Al final del laboratorio los datos debidamente registrados sin correcciones serán visados por el Jefe de Practicas.

CONTENIDO

PRESENTACIÓN.

Pág.

1. MEDICIÓN Y CÁLCULOS DE ERRORES

6

2. FUERZAS.

13

3. CINEMATICA.

21

4. ENERGIA

.

5. PRINCIPIO DE ARQUIMIDES.

39

28 33

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PRESENTACIÓN. La Física, es una ciencia fundamental que tiene profunda influencia en todas las otras ciencias. Por consiguiente, no sólo los estudiantes de física e ingeniería, sino todo aquel que piense seguir una carrera científica deben tener una completa comprensión de sus ideas fundamentales. Es por esta razón que se ha elaborado el presente módulo, con el deseo que los conocimientos teóricos impartidos por nuestros profesores sean entendidos. El laboratorio es el elemento más distintivo de la educación científica, tiene gran relevancia en el proceso de formación, cualquiera que vaya a ser la orientación profesional y el área de especialización del estudiante. En el laboratorio

podemos

conocer

al

estudiante

en

su

integridad:

sus

conocimientos, actitudes y desenvolvimiento. El trabajo práctico de laboratorio sirve: Para motivar, mediante la estimulación del interés y la diversión, para enseñar las técnicas de laboratorio, así como intensificar el aprendizaje de los conocimientos científicos, asimismo para proporcionar una idea sobre el método científico, y desarrollar la habilidad en su utilización y también para desarrollar determinadas "actitudes científicas", tales como la consideración de las ideas y sugerencias de otras personas, la objetividad y la buena disposición para no emitir juicios apresurados. En el laboratorio el alumno logra el máximo de participación, el profesor se convierte en guía para el alumno. La ayuda del profesor debe ser la mínima necesaria para que eche a andar, y vaya pensando en lo que puede hacer y el significado de lo que hace en cada momento de la experiencia. El estudiante debe de percibir la práctica como un pequeño trabajo de investigación, por lo que una vez terminada elaborará un informe que entregará al profesor para su evaluación en la que se especifique: Título. Objetivos, o resumen de la práctica. Descripción. Fundamentos físicos. Medidas tomadas. Tratamiento de los datos y resultados. Discusión y conclusiones. 39

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Las prácticas de laboratorio deberían de ir coordinadas con las clases de teoría y de problemas.

Lic. Carlos Albán Palacios M.Sc. Jefe del Laboratorio de Fisica.

1° PRÁCTICA: MEDICIONES Y CÁLCULO DE ERRORES 1.

OBJETIVO: 

Aprender a utilizar instrumentos de medida de precisión.

1.1 OBJETIVO GENERAL: GENERAL   2.

Conocer los métodos de tratamiento estadístico mediciones. Aplicar la teoría de errores a mediciones de laboratorio.

de

las

FUNDAMENTO TEORICO La medida de cualquier magnitud física es determinar un "número" que sea el cociente entre la magnitud en consideración y su respectiva unidad "patrón". Los métodos para la medida de magnitudes físicas son: a) Medida directa.- Se efectúa por "comparación" con el patrón escogido como unidad de medida. Esta medida es relativa porque depende de la unidad de medida. b) Medida Indirecta.Se determina mediante fórmulas matemáticas, y usando mediciones directas. Así tenemos: El volumen, densidad, trabajo, etc. c) Medida con aparatos calibrados.- Se realiza usando instrumentos de manera tal que la medida se reduce a una simple lectura de la posición de índices sobre escalas graduadas. Son aparatos calibrados: Las balanzas, relojes, voltímetros, amperímetros, cronómetros, termómetros, etc.

3.

CLASIFICACIÓN DE LOS ERRORES Los errores se clasifican en: a) Errores sistemáticos. – Son aquellos que se repiten constantemente durante un experimento o bien durante una

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serie de medidas. Entre las fuentes de estos errores se tiene: Errores de calibración de los instrumentos de medida, condiciones experimentales no apropiadas, técnicas imperfectas, formulas incorrectas y teorías incorrectas. b) Errores Casuales.- No es posible determinar la causa de estos errores. Siempre están presentes en la medida de cualquier cantidad física y es a priori impredecible. Así tenemos: Errores de apreciación, condiciones de trabajo y falta de definición. c) Errores ilegítimos.- Son debidos en parte a la forma como el experimentador sabe aprovechar de las medidas realizadas y en parte a factores personales como por ejemplo: distracción, cansancio, etc. 4.

TEORIA DE LOS ERRORES DE UNA VARIABLE 4.1. METODO ESTADISTICO.- Número de mediciones n ≥ 10. Valor promedio.- Es el valor más probable de la magnitud A, definido por:

n

a(1) =

a1+ a2 + .... + an

∑ ai

= i= 1 diferencia nentre

Error Aparente.- Esn la valor promedio de las η medidas. = a - a,

e

i

i

una medida cualquiera y el

i =1, 2, ... , n

(2) n 2 medio.- Se define mediante la siguiente expresión Error Cuadrático

µ=

∑ ei

i =1

(3)

n−1

Error Estándar.- Definido por: σ =

µ n

=

∑ ei

2

(4)

n( n − 1)

Según el significado de σ, se analiza las medidas efectuadas, una por una; todas las medidas cuyos resultados están fuera del intervalo: [ a - 3σ, a +3σ] tienen que ser eliminados sin mayor duda; hecho esto se determina nuevamente a y σ. A continuación, se calcula el error estándar σ, el resultado final será dado por:

(5)

A = a ± 3σ

El error relativo es el cociente entre el error absoluto y el valor medio 39

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σ a El error porcentual es calculado con la fórmula Er =

(6)

E % = E r x100%

(7)

Los valores de las ecuaciones (3) y (4) brindan mejores resultados cuando mayor sea el número de mediciones 4.2. MÉTODO NO ESTADISTICO.ESTADISTICO Número de mediciones n < 10. Se determina el valor promedio mediante la ec. (1). Así mismo, se toma como error presuntamente cometido, la cantidad máxima ∆ am. definida por:

∆ am; =

amax - a min

(8)

2

El resultado final se escribe: A = a ± ∆a m (9) Si n = 1 (una sola medida) el tratamiento es no estadístico y el error ∆ a0 , se estima como la sensibilidad del instrumento; es decir: A = a ± ∆a0

5.

TEORIA DE LOS ERRORES DE MUCHAS VARIABLES 5.1.

TRATAMIENTO ESTADISTICO

Sea la magnitud física F que depende de las magnitudes distintas

z2,......, zn; entonces: F

=

(z1,

F

z1,

z2,........,

zn.)

(10) Si se mide las magnitudes z1, z2,......., zn experimentalmente se dice que F es el resultado de una medida indirecta. El valor promedio de F se determina mediante

(

F = F z 1 , z 2 , ..., z n

)

(11)

Y los errores cuadrático medio y estándar, respectivamente se determinan mediante la expresión. 2

µF

=

2 ∑ µj

 ∂F   ÷÷  ∂Z j 

2

39

(12)

 ∂F  2 σF = ∑ σj  ____________________________________________________________________________  ∂Zj ÷÷   FÍSICA I: PESQUERIA Pag 10

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(13) Entonces el resultado final se escribe como: F = F ± 3σF (14) La Ec. (13) se emplea para medidas independientes pero si son no independientes σF se determina mediante: σF

5.2

=σ1

 ∂F   ∂F    + σ2  + .....  ∂Z 1   ∂Z 2 

(15)

TRATAMIENTO NO ESTADÍSTICO

Si el número de mediciones n.

En forma matemática: E = W a - Wf = ρ f g V s = γ f V s (1)

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Donde: Wa es el peso del cuerpo en el aire, Wf es el peso del cuerpo en el fluido ρ f densidad del fluido, γ f peso especifico del fluido y Vs volumen del cuerpo de la zona sumergida. a)

Densidad de un sólido

Primero se pesa el sólido en el aire ( Wa ) y, luego se determina su peso sumergido en un fluido (Wf ). Considerando a la ecuación (1) E = Wa - Wf γf Vs = Wa - Wf es decir,

Wa - Wf γ

Vs =

(2)

f

Se sabe que:

γ = s

Wa V

(3)

s

De la ecuación (2) en (3)

γ

s

=

W a

Wa - Wf γ

=

W .γ f a Wa - Wf

f

Simplificando tenemos:

ρ

s

=

W a ρ Wa - Wf f

(4)

3. EQUIPO Y MATERIALES 3 Sólidos de metal. 1 Balanza de triple brazo. Dinamómetros

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4. PROCEDIMIENTO Densidad de sólidos 1. Determine los pesos de los sólidos metálicos en el aire (Wa ). Anotar en la tabla Nº 1. 2. Determine los pesos de los sólidos metálicos sumergidos en el agua (Wf ). Anotar en la tabla Nº 1. 3. Mediante la ecuación (4) determine las densidades de los sólidos metálicos. TABLA N° 1

Sólidos

Wa (N)

Wf (N )

ρ s ( g/cm3 )

1 2 3

5. ANALISIS DE DATOS 1. DENSIDAD DE UN SÓLIDO 39

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SÓLIDOS W α ρ = ρ (g / cm 3 ) s W - W f α

f

1 2 3 •

Grafique en papel milimetrado los datos de la tabla considerando como variable dependiente los pesos y como variable independiente los volúmenes. ¿Qué representa la pendiente de la recta de la gráfica? • Calcular el error cometido en la determinación de la densidad de los 3 sólidos considerados.

Nota  Lee bien las preguntas y responde con criterio  Desarrolla tus cálculos con sus respectivos procedimientos 6. CUESTIONARIO

1. 2. 3. 4. 5.

Dígase si puede ser estable, inestable o indiferente el equilibrio de un cuerpo que flota en el agua ¿A que se debe el empuje hidrostático? ¿Cuándo no se cumpliría el Principio de Arquímedes? Al introducir un cuerpo en un líquido ¿Puede ocurrir que el empuje E de Arquímedes sea mayor que el doble del peso P del cuerpo? Explique. Aplicando el principio de Arquímedes y la dinámica encuentre la aceleración de un cuerpo cuando es mayor el peso específico del cuerpo que el del fluido.

7. CONCLUSIONES _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 39

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_____________________________________________________________________________

CUESTIONARIO 1. ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________

2. ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________

3. ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________

4. ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________

5. ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________

39

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