Física y Ciencias Integradas

8/18/2019 Física y Ciencias Integradas

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Servicio de asesoría y resolución de ejercicios [email protected]

www.maestronline.com

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6. Escribe tus observaciones en relación a que tan fácil o difícil resulta distinguirlas pulsaciones o batimientos y qué aplicaciones puede tener este fenómeno.

7. Graba las pulsaciones percibidas para los casos de número de batimientos en

donde las frecuencias en Hertz del segundo sonido son: 300, 301, 302, 306 y 310,empleando el mismo programa “Audacity” , pero una vez que ya se tengangenerado los dos sonidos, no dar clic en el botón de “play”, en lugar de esto, vea la pestaña “transport” para seleccionar “record” y empezará a grabar, observaque en la parte de debajo de la pantalla se encuentra la ventana de “Audioposition” que es un cronómetro que inicia cuando se empieza a grabar, debes deparar la grabación alrededor de los 3 segundos, lo cual es exacto si en laventana de al lado: “End -Length” fijas el tiempo de 3 segundos y se detendrá lagrabación automáticamente. Por otro lado, en la imagen que se generó,aparecerá la interferencia de las dos ondas de sonido, observándose losmáximos que corresponde a los batimientos que se van produciendo, de estamanera se puede contar dichas pulsaciones en los tres segundos paradeterminar los batimientos por segundo. No olvides dar clic en “salvar lagrabación” dentro de la pestaña de “file”. Ya que realicen todo esto, escribe losresultados en la siguiente tabla:

Frecuencia fija del primer sonido=300 Hz


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Frecuencia segundosonido

Diferenciade frecuencias

Pulsos en 3segundos

Batimientos porsegundo

300

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8. Dibujen cualitativamente las gráficas de la superposición de los dos sonidos conla diferencias de frecuencias de la tabla anterior. Estas gráficas son similares ala mostrada en la siguiente figura:

http://www.amadeux.net/sublimen/articoli/battimenti_stimoli_e_induzioni_cerebrali.html solo para fines educativos.

9. El aprendizaje obtenido en esta actividad te será de utilidad para comprender elfenómeno pulsaciones o batimientos, el cual es útil para afinar instrumentosmusicales, como una guitarra, un piano, etc. Los compositores de músicatambién emplean este fenómeno como técnica para determinar los tonoscorrectos en la música.


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1. Para comenzar, deberás tener listo tu computadora o Tablet para que puedanfuncionar correctamente los simuladores computacionales que se van a emplear comolaboratorio de física virtual, por lo que debes asegurarte de tener instalado losprogramas: Java y Adobe Flash Player, en caso de que no sea así revisa la sección deRecursos y podrás encontrarlos para descargar.

2. Para el primer criterio de evaluación, en donde el propósito es determinar losdiferentes parámetros que caracterizan al M.A.S. en un sistema masa-resorte, hazfuncionar la simulación “Laboratorio de resortes y masa” (recuerda que se encuentraen la sección de Recursos) y realiza lo siguiente:

a. Haz clic para activar el reloj ytambién aumenta la fricción a “mucho” paraevitar por lo pronto que el sistema oscile intermitentemente ya que primerodebes determinar la constante de fuerza del resorte.

b. Cuelga la masa de 50 g en el resorte 1 y con la regla mide la distancia que seestiró el resorte, haz lo mismo con las masas de 100 g y de 250 g en los

resortes 2 y 3.c. Llena la siguiente tabla para determinar la constante del resorte, mediante laley de Hooke:

Resorte Masa Estiramiento Constante del resorte

1 50g

2 100g

3 250g

d. Quita las masas graduadas en gramos y ahora cuelga las masas de coloresverde, dorada y roja en los resortes 1, 2 y 3, respectivamente y calcula lasmasas (en g) de estos objetos, llenando la siguiente tabla:

Resorte Constante del resorte Estiramiento Masa

1


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2

3

e. Quita las masas de colores y ahora mueve el botón de “suavidad del resorte 3”a la condición de “suave” y cuelga la masa de 50 g para que midas elestiramiento del resorte y determines la constante del resorte “suave”, luegoaumenta la condición del resorte a “duro” y cambia la masa por la de 250 g,para que nuevamente determines la constante del resorte “duro” y escribe losresultados en la siguiente tabla:

Resorte Masa Estiramiento Constante del resorte

Normal 50g

Suave 50g

Duro 250g

f. Con la masa de 250 g en el resorte 3, en la condición de “duro”, sostén lamasa en la línea que corresponde al resorte sin estirar, y suelta la masa paraque se produzca un movimiento armónico simple (M.A.S), para una mejorobservación y precisión en las mediciones, haz clic en el tiempo “1/16” peratener un movimiento en cámara lenta. Activa también el reloj y toma el tiempo5 oscilaciones para que calcules el periodo y lo compares con el periodoteórico. Cuelga también las masas de 50 g y 100 g en los resortes 1 y 2, paraproducir un M.A.S. similar al del resorte 3 y escribe los resultados en lasiguiente tabla:

Resorte Masa Tiempo en 5oscilacionesPeriodoexperimental Periodo teórico

1 50g


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2 100g

3 250g

g. Con el periodo experimental determina las constantes A, ω, Vmax, amax, y llena lasiguiente tabla:

Resortemasa A ω Vmax amax

1-50g

2-100g

3-250g

h. Determina el valor de la constante de fase Φ considerando que el movimientoinicia cuando se suelta desde arriba y escribe las ecuaciones de posición,

velocidad y aceleración para el movimiento de las masas unidas a cada uno delos resortes 1, 2 y 3.

3. Para los otros dos criterios de evaluación, haz funcionar la simulación “Presión delfluido y el flujo” (recuerda que se encuentra en la sección de Recursos) y realiza losiguiente:

i. Maximiza la pantalla y haz clic en la pestaña de flujo, también activa la regla yel medidor de flujo.

j. Reduce el diámetro de la sección central a un valor de 1 m, tomando con el“mouse” la agarradera de cilindro amarillo conectado al tubo, haz lo mismo con

las agarraderas que están a los lados. Utiliza la regla para medir y también elmedidor de flujo para que registres el área de esa sección angosta.k. Aumenta el diámetro de los extremos del tubo al valor de 3 m, mueve el

medidor de flujo para registrar el área de esa sección ancha, haz lo mismo conlas agarraderas que están a los lados para de esta manera tener construidovirtualmente el medidor de Venturi como se muestra en la siguiente figura:


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l. Llena la siguiente tabla sobre las mediciones anteriores:

Sección Diámetro Área calculada Área del medidor deflujo

Ancha enentrada

Angosta

Ancha en salida

m. Aplica las ecuaciones de gasto de flujo, de continuidad y de Bernoulli, para quedetermines las velocidades y presiones en las secciones anchas y angostas,con el “mouse” arrastra los medidores de velocidad y de presión en las


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secciones anchas y angosta, y con esto puedes checar tus resultados quecalculaste con los valores que indican estos medidores, escribe tus resultadosen la siguiente tabla.

SecciónGastodel flujo Velocidad

Velocidadmedidor Presión

Presiónmedidor

Ancha enentrada

Angosta

Ancha ensalida

Selecciona el cuarto de una casa tomando en cuenta lo siguiente:

1. Se va a determinar qué tanto calor se transfiere en una hora del exterior de la casa alcuarto. También se sugiere que una o dos de sus paredes estén en contacto con elexterior

2. Identifica los materiales con el que está construido el cuarto y obtén las dimensionesgeométricas del cuarto. Escribe los resultados en la siguiente tabla:

Sección del cuarto Materiales Espesores estimado Dimensiones g

puerta

ventana

paredes

techo

piso


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3. Reflexiona sobre el tipo de material con el que están construidos las paredes y eltecho. De acuerdo al sentido común ¿qué materiales serían mejor aislantes térmicos?

4. Selecciona los valores de conductividad térmica para cada uno de los materiales5. Calcula el área de cada sección del cuarto y escríbelos en la siguiente tabla:

Sección del cuarto Materiales Conductividad térmica

puerta

ventana

paredes

techo

piso

6. Mide la temperatura interior y exterior del cuarto, colocando el termómetro pegado a laplaca de cada sección, en el caso del piso, como temperatura exterior debe estimarsela temperatura del subsuelo

7. Calcula el cambio de temperatura como la diferencia entre la temperatura exterior conla del interior. Escribe los resultados en la siguiente tabla:

Sección del cuarto Temperatura exterior Temperatura interior Cambio

puerta

ventana

paredes

techo

piso


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8. Reflexiona sobre los valores de las conductividades térmicas de los materiales con losque está construido el cuarto y en cómo se verían afectadas dichas conductividades sise cambian las paredes y el techo por materiales que sean mejores aislantes térmicos

9. Emplea la ecuación de flujo o transferencia de calor para cada placa y determina elflujo de calor, escribiendo los resultados en la siguiente tabla:

Sección del cuarto Materiales Flujo de calor

puerta

ventana

paredes

techo

piso

10. Obtén el total del flujo de calor y determina el calor transferido en una hora enunidades de BTU:

Flujo total de calor

Calor transferido en una hora en Joules

Calor transferido en una hora en BTU

11. Haz sugerencias que ayuden a reducir la transferencia de calor para que sea menor lacantidad transferida en una hora

12. Reflexiona sobre al valor obtenido del flujo de calor y el calor transferido en una hora,

convirtiendo este calor en BTU y propón qué cambios se podrían realizar ya sea en eldiseño, o bien, en parámetros geométricos, a fin de reducir este flujo de calor y lograrun mayor ahorro de energía

13. Comparte con tus compañeros los resultados encontrados a través de algún medioelectrónico

Como preparación para el tema, contesta de manera individual el siguiente ejercicio.


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1. Considera el caso de un proceso termodinámico de tipo isobárico, en donde la presiónde gas dentro de un pistón es constante y tiene un valor de 2000 pascales. Si elvolumen varía de 0.6 m3 a un valor de 0.2 m, y por otro lado el gas absorbe 8000 J decalor, determina lo siguiente:

a. El trabajo que se lleva a cabo en este procesob. ¿Es trabajo realizado por el gas o sobre el gas?c. Una gráfica de presión en función del volumen para este proceso a presión

constanted. ¿Cómo se relaciona el área formada con la gráfica del inciso anterior y con el

resultado del trabajo en el inciso a) ?e. El cambio de energía interna empleando directamente la ecuación de la

Primera Ley de la Termodinámica

En esta actividad se aplicarán las siguientes ecuaciones y principios de la termodinámica:

a. Ecuación general de los gases idealesb. Definición de trabajo en termodinámicac. Ecuaciones de calor en procesos termodinámicos isobárico e isovolumétricod. Ecuación de la Primera Ley de la Termodinámicae. Ecuación de la eficiencia térmica para el ciclo termodinámico

El aprendizaje obtenido en esta actividad te ayudará a comprender el principio defuncionamiento de las máquinas térmicas, en particular los procesos termodinámicos que sellevan a cabo dentro de los cilindros de un automóvil de gasolina

1. Considera la siguiente gráfica que indica cómo está variando la presión en función delvolumen dentro de un cilindro que contiene dos moles de gas monoatómico:

2. Determina las temperaturas en cada punto, empleando la Ley de los Gases Ideales yescribe los resultados en la siguiente tabla:

Punto Volumen Presión Temperatura


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a

b

c

3. Determina los valores de calor, trabajo y cambio en la energía interna del gas,empleando la Primera Ley de la Termodinámica y las ecuaciones de calor y de trabajo.Escribe los resultados en la siguiente tabla:

Proceso Calor (Q) Trabajo (W) Cambio energía intern

a

b

c

4. Determina la eficiencia del sistema termodinámico5. Como preparación para el tema, contesta de manera individual el siguiente ejercicio.

6. La Ley de Snell es una ecuación matemática que se aplica para determinar al ángulode refracción θ 2 de un rayo de luz que viene de un medio, por ejemplo aire, y luegoincide el rayo a un cierto ángulo θ 1 (con respecto a la vertical), en otro medio condiferente densidad, por ejemplo agua. Si esta ecuación es:

7.

8.9. Imagen obtenida de: http://telsystemti.wordpress.com/ley-de-snell/ Solo para fines educativos


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10. En donde n 1 y n2 son los índices de refracción de cada medio (asociado a sudensidad), y en este caso, los valores de estos índices de refracción son para el aire 1y para el agua 1.33, determina el ángulo refractado o desviado al entrar al agua,considerando que el rayo incidente va a un ángulo de 37°

Realiza lo mismo pero ahora considerando que el rayo proviene del agua y se va a refractaren el aireEl aprendizaje obtenido en esta actividad te ayudará a comprender el fenómeno derefracción de la luz, el cual se te presentará en tu vida diaria y de forma eventual en tusactividades como profesionista y te será necesario recordar los principios de sufuncionamiento.

Realiza la siguiente actividad usando el simulador Torciendo la luz.

1. Maximiza la pantalla y haz clic en el botón rojo para hacer funcionar el láser2. Selecciona el transportador de la caja de herramientas y mide los ángulos incidente,

reflejado y refractado

3. Emplea la Ley de Snell para determinar el ángulo teórico refractado4. Escribe los resultados en la siguiente tabla:

Ángulo incidente Ángulo reflejado Ángulo refractado delsimuladorÁngulo refrac

de Sn

5. Con el simulador revisa si se presenta el fenómeno de reflexión interna total. En casode que no, reflexiona al respecto, además de realizar el cálculo correspondiente

6. Selecciona el medio “agua” en donde se encuentra el láser y “aire” en el medio derefracción, muevan el láser desde un ángulo de 30° hasta encontrarexperimentalmente el ángulo crítico en donde se presenta el fenómeno de reflexióninterna total

Escribe tus resultados en la siguiente tabla:

Ángulo de incidencia Ángulo de refracción

30°


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40°

50°

60°

θc

7. Emplea la Ley de Snell para obtener analíticamente los ángulos refractados y escribanlos resultados

8. Encuentra el valor de ángulo crítico y checa si hay diferencias entre la tabla anterior yesta:


30°

40°

50°

60°

θc

9. Emplea la ley de Snell y verifica con el simulador el ángulo crítico para el caso de losmedios incidente=vidrio y medio refractado=agua



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Índice de refracción medioincidente Índice de refracción medio refractado Ángulo

agua n1=1.33 aire n2=1

vidrio n1=1.5 aire n2=1

10. Selecciona el caso del medio desconocido: “Misterio A” y comienza a mover el láserdesde un ángulo de 10° hasta encontrar experimentalmente el ángulo crítico en dondese presenta el fenómeno de reflexión interna total



10°

15°

20°

25°

11. Una vez que descubras experimentalmente el ángulo crítico, determina analíticamenteel valor del índice de refracción del medio incidente desconocido

12. Selecciona ahora el caso del medio desconocido: “Misterio B” y repite el procedimientode los puntos. Escribe tus resultados en la siguiente tabla:

Índice de refracción mediorefractado Ángulo crítico

Índice de refraccirefractado

agua n1 aire n2=1


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agua n1 aire n2=1

Como evidencia del Módulo 2 realizarás un reporte de las siguientes operaciones:

Obtener la eficiencia del sistema termodinámico Obtener las distancias focales en lentes convergentes Obtener los diagramas de rayos principales para formar las imágenes Determinar de parámetros de las imágenes formadas

1. Para el primer criterio de evaluación de la actividad considera la siguiente gráfica queindica cómo está variando la presión en función del volumen dentro de un cilindro quecontiene cinco moles de gas monoatómico:

a. Determina las temperaturas en cada punto empleando la Ley de los GasesIdeales y escribe los resultados en la siguiente tabla:

Punto Volumen Presión Temperatura

a

b

c

b. Determina los valores de calor, trabajo y cambio en la energía interna del gas,empleando la Primera Ley de la Termodinámica y las ecuaciones de calor ytrabajo.

Escribe los resultados en la siguiente tabla:


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Proceso Calor (Q) Trabajo (W) Cambio energía interna (

a

b

c

c. Determina la eficiencia del sistema termodinámico:

2. Haz funcionar la simulaciónGeometric optics y realiza lo siguiente:

a. Haz clic en las ventanas de “rayos principales” para activar la regla b. Fija el índice de refracción de la lente en 1.5 y su diámetro en 1 m

3. Para el segundo criterio de evaluación emplea la fórmula del fabricante de lentes yrealiza lo siguiente:

a. Considerando una lente biconvexa, en donde R 2=-R1, calcula analíticamentelas distancias focales de tres lentes con radios de curvatura de 70 cm, 80 cm y90 cm. Escribe los resultados en la siguiente tabla y compara los resultadoscon la medición directa con la regla de la distancia focal, que es la distanciadesde el centro de la lente hasta el punto focal que está marcado con una X:

Radio de curvatura (R)Distancia focalcalculada (f )

Distancia focalmedida con regla (f )

70 cm

80 cm

90 cm


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b. Empleando la fórmula del fabricante de lentes, calcula los nuevos índices derefracción de las lentes para mantener una distancia focal de 80 cm con radiosde curvatura de 70 cm y 90 cm.

Escribe los resultados en la siguiente tabla midiendo con la regla la distancia

focal pero cambiando en el simulador el valor del nuevo índice de refracción:

Radio de curvatura (R) Nuevo índice de refracción (n ) Distancia focalmedida con regla (f )

70 cm

90 cm

4. Para el tercer criterio de evaluación realiza lo siguiente:

a. Fija en el simulador el índice de refracción de la lente en 1.5, el diámetro en 1m y la distancia focal en 0.8 m y cerciórate que la opción de “rayos principales”se encuentre activada.

b. Como la regla solo mide distancias horizontales, marca con un pedazo depapel la longitud (vertical) del lápiz desde la goma hasta la punta y escribe estevalor que corresponde a la altura del objeto h o

c. Dibuja el diagrama de los tres rayos principales, tanto los incidentes como losrefractados para que formes las imágenes en los diferentes casos de distancia(en cm) del objeto a la lente de: d o = 200, 180, 120, 80 y 40 cm

d. Después de realizar los dibujos de los diagramas de rayos para cada distancia,comprueba tus resultados empleando el simulador computacional en dondedebes colocar al lápiz-objeto a cada una de las distancias indicadas en elpunto anterior. Por otro lado, asegúrate de colocar al objeto haciendo coincidirla goma del lápiz en el eje focal. Para cada una de estas distancias y con laayuda de la regla, ve llenando la siguiente tabla de resultados sobre lasdistancias (en cm) a la imagen ( d i ) y las alturas (en cm) de la imagen ( h i ), así

como el tipo de imagen, si es real o virtual, y su orientación, si es derecha oinvertida, etc.. Esto te servirá de apoyo para el tercer criterio de evaluación:

Distancia objeto( d o )

Distancia imagen( d i )

Altura imagen( h i )

Tipo de imagen y ori


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200

180

120

80

40

e. Empleando la función de la tecla de tu computadora “imprimir pantalla”, grabacada una de las pantallas que muestran los diagramas de rayos para cadadistancia del objeto a la lente y posteriormente imprime las imágenes grabadasy anéxalas a tu reporte de resultados, correspondientes al segundo criterio deevaluación

5. Para el cuarto criterio de evaluación realiza lo siguiente:

a. Empleando la ecuación de la lente (fórmula de Gauss), así como la ecuaciónde amplificación y altura de la imagen, realiza analíticamente los cálculos para

obtener las distancias a la imagen, altura de la imagen y factor deamplificación. Escribe tus resultados en la siguiente tabla:

Distancia objeto( d o )

Distancia imagen( d i )

Altura imagen( h i )

Factor de amplificaciónTipo deorientac

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