Manual de laboratorio de Fsica
EXPERIMENTO 01:OSCILACIONESOBJETIVOS Verificar experimentalmente
las leyes del movimiento oscilatorio armnico simple utilizando el
sistema masa-resorte. Verificar las leyes del movimiento
oscilatorio amortiguado sujeto a la friccin de aire.FUNDAMENTO
TEORICO
Movimiento Oscilatorio Armnico SimpleEs un movimiento peridico
en torno a un punto de equilibrio estable, en el que el mvil pasa
de un lado a otro por un mismo punto llamado punto de equilibrio
estable.
Figura 1.
Para el sistema masa resorte de la Figura 1, el MAS se genera
como consecuencia de la fuerza de Hooke:
,(1) : constante de restitucin del resorte.
Aplicando la segunda ley de Newton tenemos:
(2) es la aceleracin, de modo que la Ec. (2) se escribe
como:
(3)
Donde es la frecuencia angular del MAS.
El periodo de oscilacin es:
Resolviendo la ecuacin (3) se encuentra que la posicin, la
velocidad y la aceleracin del mvil se expresan como:
Siendo es la amplitud del movimiento y es la fase inicial.
Figura 2.
Movimiento oscilatorio Amortiguado
El movimiento oscilatorio amortiguado se genera al introducir en
el sistema masa resorte una fuerza de oposicin al movimiento
proporcional a la velocidad , que en el experimento ser equivalente
a la fuerza de viscosidad del aire, de modo que la ecuacin del
movimiento se puede expresar como:
(4)
Donde es el coeficiente de amortiguamiento y es la frecuencia
angular de las oscilaciones sin amortiguamiento.
La solucin de (4) cuando es:
(5)
Siendo y constantes arbitrarias que dependen de las condiciones
iniciales en el instante y la frecuencia angular de las
oscilaciones amortiguadas dado como:
(6)La Ec. (5) indica que la amplitud de las oscilaciones
disminuye en el tiempo de manera exponencial y la Ec. (6) dice que
el amortiguamiento disminuye la frecuencia.
MATERIALES
Sensor de fuerza Cinta mtrica Interface 3B NetLab Resorte
helicoidal (3 y 5.25 N/m) Soporte Universal Nuez Universal Disco de
papel de 12 cm de dimetro. Juego de pesas
Manual de laboratorio de Fsica
UNTECS 2010-IIPgina 61
Figura 3.
Figura 4.
Figura 5.
PROCEDIMIENTO
1. Instale el sistema masa resorte utilizando el sensor de
fuerza y el resorte helicoidal de 3N/m, de acuerdo a la figura 3,
utilice una masa de 40g.
2. Encienda el computador, conecte el sensor a la interface y
esta a su vez, a uno de los puertos USB del computador.
3. Ejecute el Software 3B Netlab, verifique que la conexin entre
el computador y la interface este correctamente establecida,
seleccione una escala de medida de 2 ms con una cantidad de valores
de 1000.
4. En el sensor de fuerza seleccionar el rango de medicin de 5 N
y luego presionar el botn Tara.
5. Mueva la masa 2.0 cm por debajo o sobre su posicin de
equilibrio, suelte y pulse iniciar en el programa 3B NetLab para
iniciar la toma de datos.
Dependencia de las oscilaciones con la amplitud
6. Tomando una masa de 40 g, mueva la pesa 2.0 cm por debajo o
sobre su posicin de equilibrio, suelte e inicie la medicin en el
programa 3B NetLab. Realice el grfico de datos y el ajuste de
curvas correspondiente. Guarde sus resultados en un archivo.
7. Mueva la pesa 3.0 cm por debajo o sobre su posicin de
equilibrio, suelte e inicie la medicin en el programa 3B NetLab.
Realice el grfico de datos y ajuste de curvas. Guarde sus
resultados en un archivo.
Dependencia de las oscilaciones con la masa
8. Cambie la masa por 60 g, presione el botn tara, mueva la pesa
2.0 cm por debajo o sobre su posicin de equilibrio, suelte e inicie
la medicin en el programa 3B NetLab. Realice el grfico de datos y
ajuste de curvas. Guarde sus resultados en un archivo.
9. Cambie la masa por 80 g, presionar botn tara, mueva la pesa
2.0 cm por debajo o sobre su posicin de equilibrio, suelte e inicie
la medicin en el programa 3B NetLab. Realice el grfico de datos y
ajuste de curvas. Guarde sus resultados en un archivo.
Dependencia de las oscilaciones con la constante del resorte
10. Cambie de resorte de 3N/m por la de 5.25N/m y considerando
una masa de 40 g, presione el botn tara, mueva la pesa 2.0 cm por
debajo o sobre su posicin de equilibrio, suelte e inicie la medicin
en el programa 3B NetLab. Realice el grfico de datos y ajuste de
curvas. Guarde sus resultados en un archivo.
Oscilaciones amortiguadas
11. Con el resorte de 3N/m, adicione un disco de papel de 12 cm
de dimetro a la masa de 40 g de acuerdo a la figura 5, cambie el
intervalo de medicin a 20ms, presione el botn tara, mueva la pesa
8.0 cm por debajo o sobre su posicin de equilibrio, suelte e inicie
la medicin en el programa 3B NetLab. Realice el grfico de datos y
ajuste de curvas. Guarde sus resultados en un archivo.
BIBLIOGRAFIA1. Fsica, Tipler, Paul A., Edit. W. H. Freeman; 6a
edicin (2007)2. Manual de Laboratorio de Fsica UNI, 2009.3. Fsica
Universitaria, F. Sears, y M. Zemanski, Edit. Addison-Wesley
Pearson 12a edicin (2007).4. Fsica Recreativa, S. Gil y E.
Rodriguez, www.fisicarecreativa.com.
EXPERIMENTO: 01REPORTE DE LABORATORIOApellidos y Nombres:
Carrera Profesional:Curso:
Cdigo alumno:Profesor:
Fecha de Realizacin: Fecha de entrega:
1. De acuerdo a los grficos obtenidos en los pasos 4 al 9 del
procedimiento los movimientos estudiados son armnicos simples? por
qu?
2. Con los datos obtenidos en los ajustes de fuerza en funcin
del tiempo, realizados en los pasos 5 y 6 complete la siguiente
tabla,
Tabla 1.PASO 6(k=3N/m)PASO 7(k=3N/m)
Masa (g)
F(t) (N)
X(t)=F(t)/k
Amplitud (m)
(rad/s)
Periodo (s)
Velocidad V(t)
Aceleracin a(t)
De la tabla 1. Depende el periodo del MAS de la amplitud?
Concuerdan sus resultados con la teora del MAS? justifique.
.......
Determinar el error porcentual de los valores experimentales de
la frecuencia de oscilacin. Explique........
Qu indican las fases iniciales de x(t), para cada MAS?......
3. Con los datos obtenidos en los ajustes de fuerza en funcin
del tiempo, realizados en los pasos 5, 7 y 8 complete la siguiente
tabla,
Tabla 2.PASO 6(k=3N/m)PASO 8(k=3N/m)PASO 9(k=3N/m)
Masa (g)
F(t) (N)
X(t)=F(t)/k
Amplitud (m)
(rad/s)
Periodo (s)
Velocidad V(t)
Aceleracin a(t)
Depende el periodo de MAS de la masa del sistema? Concuerdan sus
resultados con la teora del MAS? justifique.......
Determinar el error porcentual de los valores experimentales del
periodo de oscilacin. Explique......
4. Con los datos obtenidos en los ajustes de fuerza en funcin
del tiempo, realizados en los pasos 5 y 9 complete la siguiente
tabla,
Tabla 3.PASO 6(k=3N/m)PASO 10(k=5.25N/m)
Masa (g)
F(t) (N)
X(t)=F(t)/k
Amplitud (m)
(rad/s)
Periodo (s)
Velocidad V(t)
Aceleracin a(t)
Depende el periodo de MAS de la constante del resorte?
Concuerdan sus resultados con la teora del MAS?
justifique..........
5. Con los datos obtenidos en los ajustes de fuerza en funcin
del tiempo, realizados en los pasos 5 y 10 complete la siguiente
tabla,
Tabla 4.PASO 6(k=3N/m)PASO 11(k=3N/m)
Masa (g)
F(t) (N)
Amplitud (N)
Frecuencia (rad/s)
Periodo (s)
Calcular del coeficiente de amortiguamiento ?
justifique......
Determine el tiempo en la cual la amplitud de la fuerza total
aplicada disminuye en 50% y 80% de su amplitud inicial.........
CUESTIONARIO
1. Deducir detalladamente la ecuacin de oscilacin del pndulo
simple.
1. Deducir detalladamente la ecuacin del oscilador armnico
amortiguado.
CONCLUSIONES
Movimiento armnico simple........
Movimiento oscilatorio Amortiguado........
OBSERVACIONES Y SUGERENCIAS
.....
ANEXOS:Grficos de ajuste de curvas de los pasos 5, 6, 7, 8, 9 y
10 del procedimiento.
EXPERIMENTO 02:PENDULO FISICO Y OSCILACIONES ACOPLADASOBJETIVOS
Estudio experimental del pndulo fsico Estudiar las oscilaciones
acopladas: oscilacin equifsica y determinacin de su frecuencia de
oscilacin T+, oscilacin en oposicin de fase y determinacin de su
frecuencia de oscilacin T, oscilaciones acopladas con batidos
mximos y determinacin del perodo de oscilacin T as como el perodo
de los batidos T.
FUNDAMENTO TEORICO
Pndulo Fsico.- es formado por un cuerpo rgido que oscila
alrededor de un punto del cuerpo, cuya ecuacin de movimiento se
rige por:
(1)
Donde es el momento de inercia del cuerpo respecto al eje de
rotacin, el torque resultante respecto al eje de giro y la
aceleracin angular, de modo que el perodo del pndulo de oscilacin
del pndulo para ngulos pequeos se expresa como:
(2)Donde d: es la distancia del eje de giro al centro de
masa.
Oscilaciones acopladas
En la oscilacin de dos pndulos acoplados, la energa se transmite
entre los dos pndulos en ambas direcciones. Si los pndulos son
iguales y se excitan a una oscilacin de tal forma que al principio
uno de los pndulos se encuentre en su posicin de reposo, la
transmisin de la energa es total. Esto significa que un pndulo
llega por completo al estado de reposo mientras el otro oscila con
mxima amplitud. El tiempo transcurrido entre dos estados de reposo
de un pndulo o, en general, entre dos instantes diferentes en los
que el pndulo oscila con amplitud mnima, se denomina frecuencia de
batido
Las oscilaciones de dos pndulos simples idnticos y acoplados se
pueden describir como superposiciones de dos oscilaciones propias
(oscilaciones sujetas una sola fuerza). Es posible observar estas
oscilaciones propias si se provoca la oscilacin de ambos pndulos en
fases iguales u opuestas. En el primer caso, los pndulos oscilan
sin influencia del acoplamiento, con frecuencia de pndulo
desacoplado; en el segundo caso, oscilan con la mxima influencia
del acoplamiento y la mayor frecuencia propia. Todas las dems
oscilaciones son representables como superposiciones de estas dos
oscilaciones propias.
Las ecuaciones de movimiento de los pndulos indican (para
desviaciones pequeas y ) lo siguiente:
Figura 1. Izquierda: oscilacin acoplada general; centro:
oscilacin acoplada equifsica; derecha: oscilacin acoplada en
oposicin de fase
Introduciendo las variables auxiliares y se obtienen las
siguientes ecuaciones de movimiento:
y
Cuyas soluciones se expresan como:
Que corresponden a las frecuencias circulares
y
Donde g: aceleracin de cada, L: longitud del pndulo, k:
constante de acoplamiento.
Las desviaciones de los pndulos se pueden calcular a partir de
la suma o la diferencia de ambas variables auxiliares, con lo que
se obtiene la solucin
Aqu, los parmetros , , y son, en primer lugar, variables
arbitrarias, que se pueden calcular a partir del estado de
oscilacin de ambos pndulos en el instante en que t = 0.
El ms sencillo de interpretar es el siguiente caso, que se
excita cuando el pndulo 1, en el momento 0 se desva un ngulo de su
posicin de reposo y se deja libre, mientras el pndulo 2 se
encuentra en su posicin de reposo 0.
Tras la transformacin matemtica se obtiene
Esto corresponde a una oscilacin de ambos pndulos con la misma
frecuencia angular , en donde sus amplitudes se modulan con la
frecuencia angular . Esta clase de modulacin se denomina batido. En
el presente caso se puede hablar hasta de un batido mximo, porque
la amplitud logra llegar a su mnimo valor igual a cero.
Figura 2.
MATERIALES
2 Pndulo de barra con sensor angular 1 Transformador 12 V, 2 A1
Resorte helicoidal con dos ojales, 3 N/m2 Pinza de mesa2 Varillas
de soporte, 1000 mm1 Varillas de soporte, 470 mm4 Nuez universal1
Interface 3B NETlog
PROCEDIMIENTO
Pndulo Fsico
1. Se conecta el 3B NETlog y se pone en marcha el programa 3B
NETlab. Seleccione Laboratorio de mediciones e instale un nuevo
juego de datos. Seleccione las entradas analgicas A y ajuste el
alcance de medida de 20 V en el modo de tensin continua (V DC).
2. Ajuste los siguientes parmetros de medida: Frecuencia: 100
Hz, Nmero de valores de medida: 800, Modo: Standard.
3. Considerando la pesa en el extremo inferior y un ngulo
inicial de aproximadamente 5 poner en marcha el oscilador, graficar
datos, ajustar datos y guardar los resultados obtenidos.
4. Repetir 3 veces el paso anterior variando la posicin de la
pesa en cada caso y guardar sus resultados.
Registro de las oscilaciones en fase:
5. Ajustar la frecuencia de toma de datos a 50 Hz y nmero de
datos a 800, Modo Standard.
6. Ambos pndulos se desvan de la posicin de reposo en un ngulo
igual (pequeo) en la misma direccin y luego se dejan libres al
mismo tiempo.
7. Se pone en marcha la toma de datos en el 3B NETlab, grafique
los datos, y guarde sus resultados grficos.
Registro de las oscilaciones en contrafase:
8. Ajustar la frecuencia de toma de datos a 50 Hz y nmero de
datos a 800, Modo Standard.
9. Ambos pndulos se desvan de la posicin de reposo en un ngulo
igual (pequeo) pero en direcciones contrarias la una de la otra y
se dejan libres al mismo tiempo.
10. Se vuelve a poner en marcha la toma de datos en el 3B
NETlab, grafique los datos, y guarde sus resultados grficos.
Registro de oscilaciones acopladas con batidos mximos:
11. Seleccione Cambiar ajustes, seleccione frecuencia de toma de
datos a 20 Hz y nmero de datos 1200, modo standard.
12. Una varilla pendular se desva de la posicin de reposo y la
otra se mantiene en la posicin de reposo y luego se dejan libres al
mismo tiempo.
13. Pulse iniciar en el 3B NETlab, grafique sus datos y guarde
sus resultados grficos.
BIBLIOGRAFIA1. Fsica, Tipler, Paul A., Edit. W. H. Freeman; 6a
edicin (2007)2. Manual de Laboratorio de Fsica UNI, 2009.3. Fsica
Universitaria, F. Sears, y M. Zemanski, Edit. Addison-Wesley
Pearson 12a edicin (2007).4. Fsica Recreativa, S. Gil y E.
Rodriguez, www.fisicarecreativa.com.EXPERIMENTO: 02REPORTE DE
LABORATORIOApellidos y Nombres:
Carrera Profesional:Curso:
Cdigo alumno:Profesor:
Fecha de Realizacin: Fecha de entrega:
1. Qu tipo de movimientos oscilatorios describen los pndulos
fsicos estudiados? Explique...................
2. Determine una frmula para la distancia del eje de giro al
centro de masa de los pndulos fsicos utilizados en los pasos 3 y 4
del procedimiento en trminos de la masa de la barra, longitud de la
barra, masa la pesa y las posiciones Li de la
pesa......................
3. Complete la tabla 1, con los periodos obtenidos en los pasos
3 y 4 del procedimiento. Determine la distancia del eje de giro al
centro de masa usando la formula deducida en el paso anterior, y el
momento de inercia del pndulo en cada caso usando la Ec. (2).
Tabla 1L1= (m)L2= (m)L3= (m)L4= (m)
(rad/s)
Periodo(s)
d(m)
I(kgm2)(experimental)
Masa del disco (kg):Masa de la barra (kg):
Radio del disco (m):Longitud de barra (m):
4. Usando la definicin de momento de inercia calcule una
expresin para el pndulo fsico usado en la experiencia.
........................
5. Calcular el valor terico del momento de inercia usando la
frmula deducida en el paso 4. Determine el error porcentual de los
momentos de inercia de la tabla 1, respecto a sus respectivos
valores tericos, y complete la siguiente tabla.
Tabla 2L1= (m)L2= (m)L3= (m)L4= (m)
I (kgm2) (calculado)
I (kgm2) (experimental)
Error (%)
6. Explique de qu cantidades fsicas fundamentales depende el
periodo de oscilacin del pndulo fsico...................
Determinacin del perodo de oscilaciones acopladas en fase
7. Se abre el juego de datos de las oscilaciones acopladas en
fase.
8. En el diagrama se incluyen en medio de los cursores un nmero
grande de oscilaciones, para ello, se coloca el cursor izquierdo en
el paso por cero de una de las oscilaciones y el cursor derecho en
un punto que encierre un nmero completo de perodos.
9. En la tabla por debajo del diagrama se lee la distancia en el
tiempo (t derecho - t izquierda) de los dos cursores.
Tabla 3n (N de oscilaciones)td (tiempo derecho)ti (tiempo
izquierdo)
Calcule el periodo de oscilacin en fase como
De acuerdo a los grficos obtenidos, explique cualitativamente
las oscilaciones en fase.............
Determinacin del perodo de las oscilaciones acopladas en
contrafase
10. Se abre un juego de datos para las oscilaciones acopladas en
contrafase.
11. En el diagrama se incluyen en medio de los cursores un nmero
grande de oscilaciones de modo que encierre un nmero completo de
perodos.
12. En la tabla por debajo del diagrama se lee la distancia en
el tiempo (t derecho - t izquierda) de los dos cursores.
Tabla 4n (N de oscilaciones)td (tiempo derecho)ti (tiempo
izquierdo)
Calcule el periodo de oscilacin en contrafase como
De acuerdo a los grficos obtenidos, explique cualitativamente
las oscilaciones en contrafase.............
Determinacin del perodo de las oscilaciones acopladas con
batidos mximos
13. Se abre un juego de datos para las oscilaciones acopladas
con batidos mximos.
14. Con los dos cursores se encierra uno y si es posible varios
perodos de batidos y se lee la distancia temporal en la parte
inferior del diagrama.
Tabla 5n (N de batidos)td (tiempo derecho)ti (tiempo
izquierdo)
Calcule el periodo de batidos mximos
De acuerdo a los grficos obtenidos, explique cualitativamente
que ocurre en las oscilaciones de batidos mximos.............
15. Se cambia la escala del eje de los tiempos para representar
en la pantalla un perodo de batido.
16. Se encierran con los dos cursores el mayor nmero posible de
perodos de oscilacin de un pndulo dentro de un perodo de batido (el
tiempo entre dos pasos por cero de la oscilacin en la posicin de
reposo) y se lee por debajo del diagrama la distancia temporal
entre los dos cursores.
Tabla 6n (N de oscilaciones)td (tiempo derecho)ti (tiempo
izquierdo)
Calcule el periodo de oscilacin
Comparacin de los perodos de oscilacin y de batido con los
valores calculados en base a los perodos de las oscilaciones
propias
17. Para el perodo T de las oscilaciones acopladas con batidos
mximos se tiene (8):
Determine el error porcentual de valor de obtenido en el paso
16. Respecto al obtenido en el paso 17. Explique que representa
:............
18. Calcula el perodo de los batidos usando la frmula terica
Determine el error porcentual de valor de obtenido en el paso
15. Respecto al obtenido en el paso 18. Explique que representa
:...............
CUESTIONARIO
1. Cules son las semejanzas y diferencias entre un pndulo simple
y un pndulo fsico?2. Qu magnitudes fsicas se conservan en el
experimento de oscilaciones acopladas? Explique.3. Explique cuando
ocurre resonancia en los osciladores acoplados.
CONCLUSIONES
Pndulo Fsico.......
Oscilaciones acopladas......
OBSERVACIONES Y SUGERENCIAS
.....
ANEXOS:Grficos de ajuste de curvas de los pasos 3, 4, 7, 10 y 13
del procedimiento.
EXPERIMENTO 03:ONDAS DE SONIDOOBJETIVOS
Determinar la frecuencia de las ondas sonoras. Determinacin de
la velocidad del sonido utilizando ondas estacionarias.
FUNDAMENTO TEORICO
Las ondas sonoras son ondas longitudinales, que se producen
debido a la vibracin de las partculas del medio, que producen
cambios de presin y densidad a lo largo de la direccin de
propagacin, generando regiones de alta y baja presin. Las ondas
sonoras se encuentran en el intervalo de frecuencias audibles por
el odo humano 20 Hz a 20 kHz, si sus frecuencias son menores a las
audibles las ondas se llaman infrasnicas y en el caso en que ellas
son mayores a las frecuencias audibles estas se conocen como ondas
de ultrasonido. La velocidad de propagacin de las ondas sonoras
depende de las propiedades del medio y su estado termodinmico.
(1)El modelo matemtico que describe el movimiento de ondas
unidimensionales es:
(2)Cuya solucin para ondas armnicas es:
(3)Siendo el nmero de onda, la longitud de onda y la
frecuencia.
Onda estacionaria.- Se obtiene de la superposicin de las
ondas:
Si las ondas se encuentran en un tubo cerrado como se muestra en
la figura 2, las frecuencias de los modos de vibracin se expresan
como:
, (4)
Figura 2.
MedioVelocidad del sonido vs (m/s)
Aire (0C)Aire (20C)Agua (25C)Agua de mar (25C)33134314931533
MATERIALES Juego de Diapasones Cajas de resonancia Martillo
Sensor de Sonido Interface 3B Netlog Computador Tubos PVC Cubetas
de vidrio. Cinta mtrica
Figura 1. Diapasn, caja de resonancia y martillo.
PROCEDIMIENTOEn cada uno de los pasos siguientes realice el
ajuste de curvas y el anlisis correspondiente, utilizando en
software 3B NetLab.
Medir la frecuencia del sonido
1. Conecte el sensor de sonido a la interface y encienda el
computador.
2. Utilizando el diapasn de 512 Hz, y una escala de 20 s y 1000
datos en el software 3B NetLab realice una lectura de datos para
diferentes distancias de la fuente de sonido. Realice el ajuste de
curvas a la funcin seno. Anote sus resultados en la tabla 1.
3. Repita el paso anterior utilizando el diapasn de 384 Hz, 320
y 256 Hz.
Velocidad del sonido
4. Llene con agua el recipiente, sumerja el tubo de PVC hasta
dejar unos 5 centmetros libre.
5. Utilizando el diapasn de 512 Hz produzca sonidos intensos en
el extremo libre del tubo, suba lentamente el tubo hasta detectar
que la intensidad del sonido que sale de esta, sea mxima (primer
modo). Mida la longitud del tubo que se encuentra fuera del agua,
repita 4 veces ms y anote sus resultados en la tabla 2.
6. Siga produciendo sonidos intensos con el diapasn y siga
aumentando la longitud libre del tubo para encontrar el segundo
modo (segundo punto donde la intensidad del sonido es mxima). Mida
la longitud del tubo que se encuentra fuera del agua, repita 4
veces ms y anote sus resultados en la tabla 2.
7. Repita los pasos 5 y 6 utilizando el diapasn de 384 Hz y
llene la tabla 2.
BIBLIOGRAFIA1. Fsica, Tipler, Paul A., Edit. W. H. Freeman; 6a
edicin (2007)2. Manual de Laboratorio de Fsica UNI, 2009.3. Fsica
Universitaria, F. Sears, y M. Zemanski, Edit. Addison-Wesley
Pearson 12a edicin (2007).4. Fsica Recreativa, S. Gil y E.
Rodriguez, www.fisicarecreativa.com.
EXPERIMENTO: 03REPORTE DE LABORATORIOApellidos y Nombres:
Carrera Profesional:Curso:
Cdigo alumno:Profesor:
Fecha de Realizacin: Fecha de entrega:
1. Con los datos ajustados obtenidos en los procedimientos 2 y
3, completa la siguiente tabla
Tabla 1Diapasn 1Diapasn 2Diapasn 3Diapasn 4
f (Hz) Terico.
(x0,t)
(rad/s)
f (Hz) Exp.
T (s) Exp.
Error (%) *
* Error (%) = error porcentual de la frecuencia experimental
respecto a su valor terico.
De acuerdo a los grficos obtenidos y sus respectivos ajuste de
curvas qu tipo de ondas son las ondas sonoras? Explique:
2. Con los datos obtenidos en los pasos 5, 6 y 7, complete la
siguiente tabla
Tabla 2Diapasn 1f = 512 HzDiapasn 2f = 384 Hz
Li (m)1er ModoLi (m)2do Modo Li (m)1er ModoLi (m)2do Modo
1
2
3
4
5
Promedio
(m)
Vs (m/s)(*)
Vs (m/s)(**)
(*) Calcular la velocidad de propagacin del sonido en el aire
utilizando la Ec. (4).(**) Calcular la velocidad de propagacin
usando
De acuerdo a sus resultados de la tabla 2 cul es el valor
experimental de la velocidad de propagacin del sonido en el
aire?.........
Depende la velocidad de propagacin del sonido en el aire de la
frecuencia del diapasn. Explique......
Explique cualitativamente bajo qu condiciones se obtienen los
modos de vibracin en el tubo PVC. ...............
CUESTIONARIO1. Por qu las ondas sonoras se caracterizan como
ondas longitudinales. En que medio es cierta esta afirmacin.
2. Haciendo una bsqueda bibliogrfica, determine la ecuacin de
una onda de sonido y muestre que la velocidad de sonido se expresa
como en el fundamento terico.CONCLUSIONES
..........
OBSERVACIONES Y SUGERENCIAS
.....
ANEXOS:Grficos obtenidos en los pasos 2 y 3 del
procedimiento.
EXPERIMENTO 04:HIDROSTATICAOBJETIVOS:
Evaluar experimentalmente la paradoja hidrosttica. Evaluar la
variacin de la presin con la profundidad en un lquido. Estudiar el
principio de Arqumedes.
FUNDAMENTO TEORICO
Presin: fuerza normal por unidad de rea aplicada sobre una
superficie.
Presin Hidrosttica: presin debida al peso de un fluido en reposo
sin considerar la presin atmosfrica. Es la presin que sufren los
cuerpos sumergidos en un lquido o fluido por el simple y sencillo
hecho de sumergirse dentro de este. Se define por la frmula:
Presin atmosfrica: presin ejercida sobre la superficie terrestre
por la masa de aire que se encuentra sobre la tierra.
Paradoja Hidrosttica: La presin en un fluido esttico al mismo
nivel (a la misma altura) es siempre la misma.
Figura 1.
Manmetro: Instrumento que consta de un tubo en forma de U,
utilizado para medir cambios de presin en un fluidos.
Variacin de la presin con la profundidad: la presin entre dos
puntos de un fluido separados por una profundidad h se relacionan
por:
Principio de Arqumedes: Todo fluido en reposo ejerce una fuerza
ascensional llamada empuje hidrosttico sobre cualquier cuerpo
sumergido en ella, que es igual al peso del fluido desalojado por
el cuerpo.
MATERIALES
Un soporte Universal Vaso de Precipitado (250 ml, 100 ml) Barra
(Fe, Al, madera) Platillo con pesas (150 g) Dos Nuez doble
Dinammetro (2N) Cinta mtrica (2 m) Barra metlica y soporte de
dinammetro Dos Campanas de vidrio Bola y tapn de goma Tubo de
vidrio recto (8 cm y 25 cm) Juego de sondas para presin hidrosttica
Soporte de tubos Tubo de silicona Vaso de expansin Jeringa de 20
ml
Figura 2. Equipo necesario.
PROCEDIMIENTO
Parte I1. Instalar el equipo de acuerdo a la siguiente figura 3,
llena las dos campanas hasta la mitad y observe el nivel de agua en
las dos campanas.
2. Luego quita una de las campanas, y colquela en diferentes
posiciones observando en cada caso los niveles de agua en las
campanas (como se muestra en las figuras 4 y 5).
Figura 3. Figura 4.Figura 5.
3. Reemplace una de las campanas con un tubito de vidrio y
observe los niveles de agua (como se muestran en las figuras 6, 7 y
8).
Figura 6.
Figura 7.
Figura 8.
Parte II
4. Instale el manmetro en U de acuerdo a la figura 9, llene agua
hasta que los dos tubos estn llenos hasta la mitad, conecte uno de
los extremos del manmetro por medio un tubo de silicona a una de
las sondas para medir la presin hidrosttica, luego ponga agua en el
vaso de precipitados y sumerja la sonda tal como se muestra en la
figura 10.
Figura 9.
Figura 10.
5. Utilice la sonda en forma de gancho para medir la presin
hacia abajo, la sonda en ngulo recto para medir la presin hacia los
lados y para la presin hacia arriba la sonda recta (en todos los
casos sumerja la sonda 5 cm y realice las medidas 3 veces). Anote
sus datos en la tabla 1.
6. Para evaluar la variacin de la presin con la profundidad,
sumerja la sonda recta de 10 cm en 10 cm, anote la profundidad h y
la presin absoluta p en la tabla 2.
Parte III
7. Principio de Arqumedes, llene aproximadamente del vaso de
precipitados con agua, cuidadosamente coloque la barra de aluminio,
madera, la unin plstica, tapn de goma y la bola de goma (como se
muestra en la figura 11) y observe cuales flotan y cuales se
hunden.
8. Llene con agua el vaso de expansin, justo hasta que rebose
sobre el vaso de precipitados, espere hasta que deje de gotear
(como se muestra en la figura 12), seque con cuidado el vaso de
precipitados y mida la masa m0 del vaso de precipitados.
9. Determine con el dinammetro el peso en el aire de las masas
de 50,100 y 150 g, luego sumerja completamente cada masa y usando
un dinammetro, mida el peso en el agua de las masas (como se
muestra en la figura 13) y mida tambin la masa del agua
desplazada.
Figura 11.
Figura 12. Figura 13.
BIBLIOGRAFIA1. Fsica, Tipler, Paul A., Edit. W. H. Freeman; 6a
edicin (2007)2. Manual de Laboratorio de Fsica UNI, 2009.3. Fsica
Universitaria, F. Sears, y M. Zemanski, Edit. Addison-Wesley
Pearson 12a edicin (2007).4. Fsica Recreativa, S. Gil y E.
Rodriguez, www.fisicarecreativa.com.
EXPERIMENTO: 04REPORTE DE LABORATORIOApellidos y Nombres:
Carrera Profesional:Curso:
Cdigo alumno:Profesor:
Fecha de Realizacin: Fecha de entrega:
1. De acuerdo a la parte I del Procedimiento:
Qu ocurre con los niveles de agua en los pasos 1 y 2?
Explique.
..................
Qu ocurre con los niveles de agua cuando se cambia una de las
campanas por el tubo? Explique.
..................
2. De acuerdo a la parte II del procedimiento.
Tabla 1.manmetrol (cm)lprom (cm)pH (Pa)
Hacia abajo
Hacia arriba
Sobre los lados
A la misma profundidad, difieren las presiones hacia abajo,
hacia arriba y hacia los lados? Explique.
........................
Tabla 2.1234567
h (cm)
p (Pa)
Con los datos de la tabla 2. Construya una grafica de P en
funcin de h, y realice el ajuste de curvas correspondiente
............
Explique qu representa la constante del ajuste de
curvas................
Explique que representa la pendiente del ajuste de
curvas..........
3. De la parte III del procedimiento:
De acuerdo al paso 7 del procedimiento de que cantidades fsicas
depende la flotabilidad de los cuerpos. Explique.
...............
Con los datos de los pasos 8 y 9 del procedimiento complete la
siguiente tabla
Tabla 3Masa (g) Peso (N)Peso aparente (N)Empuje (N)Peso de agua
desplazada (N)
50
100
150
Explique cmo calcul el peso de agua desplazada.............
Compare los resultados obtenidos para el empuje y el peso de
agua desplazada en cada caso. Explique sus
resultados.........................
CUESTIONARIO
1. Explique detalladamente el funcionamiento de un
submarino.
2. Explique las condiciones que deben tenerse en cuenta para
mantener un barco flotando en equilibrio estable (un barco que se
inclina ligeramente de su posicin de equilibrio vuelva a su posicin
de equilibrio).
3. Explique la aplicacin del principio de Arqumedes para
determinar la densidad de cuerpos de forma arbitraria.
CONCLUSIONES
..........
OBSERVACIONES Y SUGERENCIAS
.....
EXPERIMENTO 05:DILATACION TERMICA Y CALOROBJETIVOS Medir la
dilatacin trmica del acero, latn y aluminio. Utilizar la
calorimetra para determinar los calores especficos de los
slidos.FUNDAMENTO TEORICODilatacin Trmica: cambio de longitud,
superficie o volumen que sufre un cuerpo fsico debido al cambio de
temperatura que se produce en ella por cualquier medio.
Dilatacin lineal: es el cambio de longitud que sufren los
cuerpos debido a cambios en su temperatura
Calor: energa en transicin entre dos cuerpos en contacto trmico
debido a una diferencia de temperaturas entre ellas.
Capacidad calorfica: Cantidad de calor requerido para aumentar
la temperatura de un cuerpo en una unidad de temperatura.
Calor especfico: cantidad de calor requerido para aumentar la
temperatura de una unidad de masa del cuerpo en una unidad de
temperatura.
Calorimetra: estudio de la conservacin de la energa
calorfica.
Cambio de fase: paso de un material de un estado de la materia a
otro.
Calor latente: cantidad de calor necesario para cambiar de
estado una unidad de masa de un estado a otro.
MATERIALES Dilatmetro Calormetro Sensor de temperatura Interface
3B Netlog Soporte universal Generador de vapor
Figura 1. a) Generador de vapor b) Termmetro digital c) Equipo
instalado
PROCEDIMIENTO
Dilatacin trmica
1. Instale el dilatmetro, el termmetro y el generador de vapor,
como se muestra en la figura 1. Tome lectura de la temperatura
ambiente y la longitud de las varillas L0.
2.
Caliente el agua, hasta ebullicin y tome la lectura de la
temperatura y el cambio de longitud de cada uno de los materiales,
cuando las agujas del dilatmetro marque un valor fijo.
Calor especfico de slidos
3.
Para determinar el equivalente en gramos de agua del calormetro:
vierta 5g de agua de cao en el calormetro, agite y luego de unos
minutos mida la temperatura , caliente 50 g de agua entre 50 y 60C,
mida la temperatura y agregue al calormetro, agite y mida la
temperatura de equilibrio.
4. Pesar el calormetro limpio y seco, vierta 100g de agua de
cao. Por otro lado haga hervir agua hasta su punto de ebullicin,
sumerja cuidadosamente el slido al agua en ebullicin, luego
introduzca el slido dentro del calormetro, remueva el calormetro
hasta que llegue al equilibrio trmico y mida la temperatura de
equilibrio.
Calor latente de vaporizacin del agua
5. Pesar el calormetro limpio y seco y vierta 100g de agua de
cao. Por otro lado haga hervir agua hasta la vaporizacin constante,
luego sumerja el tubo de desprendimiento en el calormetro e inyecte
cierta cantidad de vapor de agua hasta que se note el cambio de
temperatura. Interrumpa el proceso y agite rpidamente, medir la
temperatura de equilibrio y pesar nuevamente el calormetro,
teniendo en cuenta que debe estar seco y limpio por fuera.
BIBLIOGRAFIA
1. Fsica, Tipler, Paul A., Edit. W. H. Freeman; 6a edicin
(2007)2. Manual de Laboratorio de Fsica UNI, 2009.3. Fsica
Universitaria, F. Sears, y M. Zemanski, Edit. Addison-Wesley
Pearson 12a edicin (2007).4. Fsica Recreativa, S. Gil y E.
Rodriguez, www.fisicarecreativa.com.
EXPERIMENTO: 05REPORTE DE LABORATORIOApellidos y Nombres:
Carrera Profesional:Curso:
Cdigo alumno:Profesor:
Fecha de Realizacin: Fecha de entrega:
1. Con los datos obtenidos en los pasos 1 y 2 del procedimiento
completa la tabla siguiente:Tabla 1.T0 (C)L0 (cm)T (C)D (cm)L(mm)
(C-1)
Aluminio
vidrio
Latn
Para determinar L, considere la siguiente aproximacin mm,Siendo
R = 2 mm el radio del eje rotativo.
Busque en la bibliografa el valor terico de los coeficientes de
dilatacin lineal del aluminio, vidrio y latn. Determine el error
porcentual de los coeficientes de dilatacin lineal experimental
respecto a sus valores tericos. Comente sus resultados.........
DR19.8cm
De acuerdo a la figura que muestra el corrimiento que sufre el
eje rotativo deduzca la ecuacin de aproximacin para L.
.........
2. Con los datos del paso 3 del procedimiento complete la
siguiente tabla:
Tabla 2.Masa (g)T0 (C)T (C)
Agua de cao
Agua caliente
Determine el equivalente en gramos de agua del calormetro que es
igual al producto de la masa del calormetro por el calor especfico
del calormetro, teniendo en cuenta que:
.........
3. Con los datos del paso 4 complete la siguiente tabla:
Tabla 3.Masa (g)T0 (C)T (C)
Agua de cao
Slido
Utilizando el equivalente en gramos del calormetro calculado en
el paso 2 anterior, determine el calor especfico y la capacidad
calorfica de la muestra de metal, considerando que:
-
.........
Busque en la bibliografa el valor terico del calor especfico del
material utilizado y determine el error porcentual del valor
experimental del calor especfico. Comente sus resultados.
.........
4. Con los datos del paso 5 del procedimiento complete la tabla
siguiente:
Tabla 4.Masa (g)T0 (C)T (C)
Agua de cao
Vapor de agua
Utilizando el equivalente en gramos del calormetro, determine el
calor latente de vaporizacin del agua, considerando que:
.........
Busque en la bibliografa el valor terico del calor latente de
vaporizacin del agua y determine el error porcentual del valor
experimental del calor latente de vaporizacin. Comente sus
resultados.
........
CUESTIONARIO
1. D una propuesta de experimento que permita determinar el
calor latente de fusin del agua.
2. Cul es la relacin entre calor, energa trmica y
temperatura.
CONCLUSIONES
............
OBSERVACIONES Y SUGERENCIAS
......
EXPERIMENTO 06:PROCESOS TERMODINAMICOSOBJETIVOS Estudio
experimental de distintos procesos termodinmicos simples para un
gas ideal (aire). En particular se estudiarn procesos, isobricos
isotrmicos e iscoros. FUNDAMENTO TEORICOGas Ideal: A presiones
moderadas, 3 bares aproximadamente, casi todos los gases pueden ser
considerados gases ideales. Cuya ecuacin de estado es:
Donde, es la presin absoluta del gas, el volumen, temperatura
absoluta, el nmero de moles del gas y la constante universal de los
gases.
Sistema termodinmico: cantidad de materia o una regin en el
espacio elegida para ser estudiada, y separada de su ambiente por
una frontera real o imaginaria. Puede ser un sistema cerrado (no
intercambia masa), abierto (no intercambia energa) o aislado (no
intercambia masa ni energa).
Estado termodinmico: conjunto de propiedades que determinan la
condicin en la que se encuentra un sistema termodinmicos (P, V, T,
etc).
Proceso termodinmico: Evolucin de determinadas magnitudes
(propiedades) termodinmicas de un determinado sistema. Dentro de
dichos procesos tenemos isotrmico (temperatura constante), isobrico
(presin constante), iscoro (volumen constante), adiabtico (calor ,
con coeficiente adiabtico del gas), politrpico (, siendo una
constante ).
Proceso cuasiesttico: es un proceso ideal, suficientemente
lento, en el cual las desviaciones a partir del equilibrio son
infinitesimales.MATERIALES Sensor de presin absoluta Sensor de
temperatura Interface 3B NetLab Modulo de ley de Boyle Mariotte
Jeringas Generador de vapor
Figura 1. Equipo de demostracin de la ley de Boyle Mariotte
Figura 2.
PROCEDIMIENTO
Proceso isotrmico:
1. Encierre una cierta cantidad de masa de aire (aire aproximado
a gas ideal) dentro del modulo de ley de Boyle-Mariotte y mida el
volumen inicial y la presin inicial (que puede ser la presin
atmosfrica) y la temperatura que permanecer constante durante el
experimento.
2. Vare varias veces el volumen del aire dentro de la jeringa y
mida su presin absoluta en cada caso, anote sus resultados en la
tabla 1.
Proceso iscoro:
3. Encierre una cierta cantidad de masa de aire (aire aproximado
a gas ideal) en la jeringa, conecte la jeringa al sensor de presin
e introdcela en el recipiente del generador de vapor con agua, como
se muestra en la figura 2. Mida el volumen inicial, la presin
inicial (que puede ser la presin atmosfrica) y la temperatura
inicial igual a la temperatura ambiente.
4. Caliente el agua, con la jeringa dentro, en aproximadamente
8C sobre la lectura inicial manteniendo invariable el volumen. Mida
la presin y la temperatura.
5. Repita el paso anterior aumentando sucesivamente la
temperatura en 8C hasta completar la tabla 2.
Proceso isobrico:
6. Utilizando el aire caliente que se obtiene en el experimento
anterior, tome las lecturas de la presin, volumen y temperatura del
gas y anote.
7. Enfre el aire en aproximadamente 8C, manteniendo constante la
presin y mida el volumen, anote.
8. Repetir el paso anterior varias veces enfriando cada vez la
temperatura del aire en 8C mida el volumen y anotar los resultados
en la tabla 3.
BIBLIOGRAFIA
1. Fsica, Tipler, Paul A., Edit. W. H. Freeman; 6a edicin
(2007)2. Manual de Laboratorio de Fsica UNI, 2009.3. Fsica
Universitaria, F. Sears, y M. Zemanski, Edit. Addison-Wesley
Pearson 12a edicin (2007).4. Fsica Recreativa, S. Gil y E.
Rodriguez, www.fisicarecreativa.com.
EXPERIMENTO: 06REPORTE DE LABORATORIOApellidos y Nombres:
Carrera Profesional:Curso:
Cdigo alumno:Profesor:
Fecha de Realizacin: Fecha de entrega:
1. Con los datos de los pasos 1 y 2 completo la tabla 1:
Tabla 1.12345678
(Pa)
L(cm)
(cm3)
Temperatura (C):
(*) Para calcular el volumen considere que V = L (D/2)2, donde D
= 40 mm es el dimetro del cilindro.
Grafique la presin en trminos del volumen, plantee una ecuacin
experimental y determine sus parmetros (realice un ajuste de
curvas).
Explique sus resultados obtenidos en la grfica y el ajuste de
curvas:
1. Con los datos de los pasos 3, 4 y 5 complete la tabla 2.
Tabla 2.12345678
(K)
(kPa)
Volumen (cm3):
Grafique el presin en funcin de la temperatura, plantee una
ecuacin experimental y determine sus parmetros.
Explique sus resultados obtenidos en la grfica y el ajuste de
curvas:
1. Con los datos de los pasos 6, 7 y 8 del procedimiento,
complete la siguiente tabla:
Tabla 3.12345678
(K)
(cm3)
Presin (kPa):
Grafique la volumen en trminos de la temperatura, plantee una
ecuacin experimental y determine sus parmetros
Explique sus resultados obtenidos en la grfica y el ajuste de
curvas:
CUESTIONARIO1. Bajo qu condiciones, criterios, el aire puede ser
considerado un gas ideal.
1. Porque en clculos de termodinmica generalmente se utiliza los
grados Kelvin K para la temperatura en vez de los grados Celsius
(C).
CONCLUSIONES
COMENTARIOS Y SUGERENCIAS