Fisica 2 fi13102

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Parte 1. Construcción del péndulo físico 1. Diseña un péndulo simple y señala todos sus componentes. 2. Realiza un diagrama de cuerpo libre y plantea las ecuaciones del movimiento de Newton. 3. Contesta las siguientes preguntas: a. ¿Qué pasaría si al ponerlo a oscilar, aumentas la masa que cuelga al final de la cuerda? Fundamenta tus respuestas en base al conocimiento visto en Física 1. b. ¿Qué sucedería si al ponerlo a oscilar, disminuyes la masa que cuelga al final de la cuerda? Fundamenta tus respuestas en base al conocimiento adquirido en Física 1. c. ¿Qué sucedería si disminuyéramos o aumentáramos el tamaño de la cuerda? Fundamenta tus respuestas. d. ¿Qué consecuencia tiene la fricción en nuestro sistema? Si no hubiera fricción ¿qué sucedería? e. ¿Existe alguna influencia en el ángulo de lanzamiento del péndulo? f. ¿En qué puntos la velocidad es cero? g. ¿En qué parte de la trayectoria de la masa de un péndulo esta tiene velocidad máxima? 4. Visita la página del simulador "Laboratorio del Péndulo” (no olvides visitar la sección de Recursos de apoyo para saber dónde está), y corrobora tus respuestas. Parte 2. Determinación de parámetros del M.A.S. para el péndulo físico y su péndulo simple equivalente 5. Reúnanse en parejas para realizar la construcción del péndulo físico con la tabla de madera. 6. Midan con la cinta métrica la tabla de madera y marquen con el plumón tres puntos importantes: el centro de masa a la mitad de la tabla, eje de rotación 1, a 2 cm del extremo de la tabla, y eje de rotación 2, a 10 cm del mismo extremo de la tabla. 7. Perforen con el clavo grueso los dos ejes de rotación, procurando que queden los agujeros lo más redondo posible. 8. Utilicen la lija fina para que los agujeros presenten la mínima fricción posible. 9. Cuelguen el péndulo físico colocando el clavo delgado en el eje de rotación 1, y clavándolo en una superficie vertical. 10. Pongan a oscilar el péndulo físico en el eje de rotación 1, con una amplitud de 15° y registren el tiempo de 5 oscilaciones. 11. Repitan el procedimiento anterior 5 veces para que obtengan el valor promedio del periodo y la frecuencia angular.

12. Repitan los puntos 10 y 11 haciendo oscilar el péndulo físico en el eje de rotación 2, y escriban los resultados en la siguiente tabla: Eje de rotación Distancia del eje al C.M. Tiempo en 5 oscilaciones Periodo promedio Frecuencia angular
1
2 13. Empleen la ecuación de la frecuencia angular para el péndulo simple y determinen la longitud equivalente, escribiendo los resultados en la siguiente tabla: Péndulo físico con eje de rotación: Longitud del péndulo simple equivalente: Frecuencia angular péndulo simple equivalente: Periodo del péndulo simple equivalente:
1
2 14. Hagan funcionar la simulación “Laboratorio de péndulo” (les recomiendo visitar la sección de Recursos ya que ahí encontrarán la liga para visitar la página web de este simulador) para construir virtualmente el péndulo simple equivalente escribiendo en el espacio de longitud el valor obtenido en la tabla anterior, para el eje de rotación 1, luego hagan funcionar la simulación activando el reloj fotoactivado y registren el periodo. 15. Repitan el procedimiento del punto anterior para el caso del eje de rotación 2, y escriban los resultados en la siguiente tabla: Péndulo físico con eje de rotación: Longitud del péndulo simple equivalente: Periodo promedio de péndulo físico: Periodo del péndulo simple equivalente virtual:

1
2 16. Construyan el péndulo simple equivalente al péndulo físico con el eje de rotación 1, empleando el segundo clavo delgado para colgar el péndulo simple 1, consideren un ángulo de 15° para la oscilación. Para este péndulo simple utilicen la cuerda delgada que debe atarse en un extremo al candado chico, y colgarse del otro extremo al segundo clavo con la longitud del péndulo simple equivalente primero con la longitud mayor y después con la longitud menor (sin cortar la cuerda). 17. Midan el tiempo de 5 oscilaciones para que obtengan el periodo promedio y repitan este procedimiento para el péndulo simple 2, equivalente al péndulo físico con el eje de rotación 2, escribiendo los resultados en la siguiente tabla: Péndulo físico con eje de rotación: Longitud del péndulo simple equivalente: Periodo promedio de péndulo físico: Periodo promedio del péndulo simple equivalente:
1
2 17. Escriban si hay diferencias en los periodos promedios de estos péndulos físico y simple y a que puede ser debido. Parte 3. Determinación experimental del valor de la gravedad mediante los péndulos físico y simple y gráficas del M.A.S. de estos sistemas físicos 18. Empleen el teorema de los ejes paralelos para obtener las ecuaciones en función de la masa para cada uno de los péndulos físicos y empleando las frecuencias angulares de la tabla del punto 12, determinen el valor de la gravedad, escribiendo los resultados en la siguiente tabla: Péndulo físico con eje de rotación: Expresión del momento de inercia respecto al eje de rotación: Frecuencia angular: Valor experimental de la gravedad:

1
2 19. Empleen la expresión de la frecuencia angular del péndulo simple, para que empleando los valores experimentales y del simulador (tablas puntos 15 y 17), determinen el valor de la gravedad, escribiendo los resultados en la siguiente tabla: Péndulo simple: Longitud del péndulo simple: Valor de la gravedad con datos simulador: Valor experimental de la gravedad:
1
2 20. Escriban las ecuaciones de posición, velocidad y aceleración angular para los dos casos de péndulo físico, como los dos casos de péndulo simple. Consideren que el movimiento inicia con el ángulo positivo de 15°. 21. Dibujen las gráficas para las ecuaciones del punto anterior. Parte 1. Generación de tonos de frecuencia variable y batimientos 1. Reúnanse en equipos, cada quien debe tener una computadora o tablet conectada a bocinas portátiles. 2. Utilicen algunos de los programas de instalación sugeridos en la sección de Recursos, para instalar en sus computadoras un programa de computadora generador de tonos o sonidos de frecuencia variable, de preferencia “Audacity”, que es un programa que se puede descargar gratuitamente para “Windows” o “Mac”, y que te permite producir más de un sonido a la vez en la misma computadora, lo cual será útil para analizar interferencia de sonidos y algunos de sus efectos. 3. Hagan funcionar el programa generador de tonos, en el caso del programa “Audacity”, ir a la pestaña de “generate” y seleccionar la opción de “tone” escogiendo los valores de frecuencia que se indican en la siguiente tabla y escriban tanto la claridad de la percepción del sonido, así como las características del tono, si es muy bajo, bajo, medio, alto o muy alto. Tengan conectadas y encendidas las bocinas portátiles a su computadora con un nivel de volumen adecuado. Para que se reproduzca el tono o

frecuencia del sonido seleccionado deben hacer clic en el botón de “play”, y con el botón de “stop” detener el sonido, para luego cambiar de frecuencia nuevamente en la pestaña de “generar”. Frecuencia en Hertz Claridad de percepción Característica del tono
20
60
100
150
200
300
400
600
1000
4. Escriban sus observaciones en relación a frecuencias de los sonidos escuchados y de los que no se alcanzan a percibir, o su percepción es muy baja, y también qué sonidos resultan molestos al oído. 5. Ahora en la pestaña de “edit” seleccionar la opción de “duplicate” para observar el fenómeno del sonido llamado “pulsaciones” o “batimientos” que resulta de la interferencia de dos sonidos de frecuencias cuya diferencia entre ellas debe ser menor a 20 para percibir claramente este fenómeno, por lo tanto, fijen el primer sonido en la frecuencia de 300 Hz, y el segundo sonido vayan cambiándolo a los valores mostrados

en la siguiente tabla, escriban los resultados de los batimientos percibidos, así como la frecuencia promedio del sonido resultante. Frecuencia fija del primer sonido=300 Hz Frecuencia segundo sonido Diferencia de frecuencias Pulsos en 3 segundos Batimientos por segundo Frecuencia promedio
300
301
302
306
310
315
320
325
299
298 6. Escriban sus observaciones en relación a que tan fácil o difícil resulta distinguir las pulsaciones o batimientos y qué aplicaciones puede tener este fenómeno. 7. Graben 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 tengan generado

los dos sonidos, no dar clic en el botón de “play”, en lugar de esto, vayan a la pestaña “transport” para seleccionar “record” y empezará a grabar, observen que en la parte de debajo de la pantalla se encuentra la ventana de “Audio position” que es un cronómetro que inicia cuando se empieza a grabar, deben de parar la grabación alrededor de los 3 segundos, lo cual es exacto si en la ventana de al lado: “End- Length” fijan el tiempo de 3 segundos y se detendrá la grabación automáticamente, por otro lado, en la imagen que se generó, aparecerá la interferencia de las dos ondas de sonido, observándose los máximos que corresponde a los batimientos que se van produciendo, de esta manera se puede contar dichas pulsaciones en los tres segundos para determinar los batimientos por segundo. No olviden dar clic en “salvar la grabación” dentro de la pestaña de “file”. Ya que realicen todo esto, escriban los resultados en la siguiente tabla: Frecuencia fija del primer sonido=300 Hz Frecuencia segundo sonido Diferencia de frecuencias Pulsos en 3 segundos Batimientos por segundo
300
301
302
306
310
8. Dibujen cualitativamente las gráficas de la superposición de los dos sonidos con la diferencias de frecuencias de la tabla anterior. Estas gráficas son similares a la mostrada en la siguiente figura:

Imagen obtenida de http://www.amadeux.net/../ solo para fines educativos. Parte 2. Sonómetro o decibelímetro con un teléfono celular 9. A continuación descarguen alguna de las aplicaciones gratuitas que hay para teléfonos celulares, indicadas en la sección de Recursos, para convertir a su teléfono celular en un sonómetro o decibelímetro, para medir el nivel de sonido en decibeles que es registrado por micrófono del teléfono celular, y hagan funcionar la aplicación. 10. Generen un sonido de 300 Hz y con un cierto nivel de volumen, que debe estar controlado por el selector de volumen de la computadora en el valor de 60, coloquen el teléfono celular a la distancia de 50 cm (0.5 m) y registren el valor del nivel de sonido en decibeles. Repitan este procedimiento para los valores del control de volumen de 80 y 100, y también para las distancias de 1 m y 1.5 m. Escriban los resultados en la siguiente tabla: Registro del nivel de sonido en decibeles Control del volumen 0.5m 1m 1.5m
60
80
100
11. Con la información anterior, comprueben y comparen los resultados de la ecuación de diferencia de niveles de sonido y escriban los resultados en la siguiente tabla:

Cálculo de diferencia de niveles de sonido ( b2 - b1 ) Control del volumen Entre 0.5 y 1m teórica Entre 0.5 y 1m experimental Entre 0.5 y 1.5m teórica Entre 0.5 y 1.5m experimental
60
80
100
12. Con la información de la tabla del punto 10 y aplicando las ecuaciones de nivel de sonido, intensidad y potencia, determinen el valor de la potencia de los sonidos generados para los diferentes controles de volumen, y escriban los resultados que se piden en la siguiente tabla: Cálculo de la potencia en watts para dicho control de volumen Control del volumen 0.5m 1m 1.5m Potencia promedio
60
80
100
Parte 3. Intensidad y nivel de sonido resultante en superposición de sonidos 13. Nuevamente generen un sonido de 300Hz y con un cierto nivel de volumen, controlado por el selector de volumen de la computadora en el valor de 60, coloquen el teléfono celular a la distancia de 50cm (0.5m) y registren el valor del nivel de sonido en decibeles. Con la segunda computadora generen el mismo sonido y los mismos datos de frecuencia y volumen y coloquen la bocina también a 50cm del teléfono celular pero en dirección opuesta a la primer bocina, de tal manera que sea un metro de separación entre las dos bocinas. Hagan sonar los sonidos al mismo tiempo y registren el nivel del sonido resultante en decibeles. Repitan este procedimiento para

las separaciones de las bocinas al teléfono celular de 1m y 1.5m. Comparen los valores experimentales y teóricos de los niveles de sonido resultantes. Escriban los resultados en la siguiente tabla: Distancias Intensidad result. (teórica) Nivel de sonido result. (teórico) Nivel de sonido result. (exp)
0.5m
1m
1.5m
14. Escriban sus observaciones en caso de que haya diferencias entre los valores teórico y experimental de los niveles de sonido resultante. 15. Resuelvan teóricamente el caso en que diez mil personas en un estadio de fútbol gritan al mismo tiempo la palabra “gol”, suponiendo que una persona produce en lo individual un sonido de 100 decibeles, determinen el nivel de sonido resultante cuando todas las personas gritan al mismo tiempo. 16. Resuelvan teórica y experimentalmente a que distancia debe colocarse el sonómetro (teléfono celular) para que perciba 80 decibeles, si a una distancia de 50cm, se registran 60 decibeles. 1. Para comenzar, deberás tener lista tu computadora o tablet para que puedan funcionar correctamente los simuladores computacionales que se van a emplear como laboratorio de Física virtual, por lo que debes asegurarte de tener instalado los programas: Java y Adobe Flash Player, en caso de que no sea así revisa la sección de “Recursos” y podrás encontrarlos para descargar. 2. Como evidencia del Módulo 1, se te pide que obtengas los parámetros del movimiento armónico simple (M.A.S.) en un sistema masa-resorte, además de determinar el valor de la gravedad empleando un péndulo simple, y también analizar el caso de la propagación de ondas en una cuerda. Haz clic para ver las instrucciones. 3. Para el primer criterio de evaluación, en donde el propósito es determinar los diferentes parámetros que caracterizan al M.A.S. en un sistema masa-resorte, haz

funcionar la simulación “Laboratorio de resortes y masa” (recuerda que se encuentra en la sección de Recursos) y realiza lo siguiente: a. b. c. d. e. f. g. h. 4. Para el segundo criterio de evaluación, en donde el objetivo es determinar el valor de la gravedad, haz funcionar la simulación “Laboratorio de péndulo” (este simulador lo puedes encontrar en la sección de Recursos) y realiza lo siguiente: a.

b. c. d. e. 5. Para el tercer criterio de evaluación, en donde el objetivo es determinar los parámetros de la onda viajera en una cuerda, haz funcionar la simulación “Onda en una cuerda” (al igual que los otros simuladores este se encuentra en la sección de Recursos) y realiza lo siguiente: a. Haz clic para activar el reloj y también aumenta la fricción a “mucho” para evitar por lo pronto que el sistema oscile intermitentemente, ya que primero debes determinar la constante de fuerza del resorte. b. Cuelga la masa de 50g en el resorte 1 y con la regla mide la distancia que se estiró el resorte, haz lo mismo con las masas de 100g y de 250g en los resortes 2 y 3. c. Llena la siguiente tabla para determinar la constante del resorte, mediante la ley 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 colores verde, dorada y roja en los resortes 1, 2 y 3, respectivamente y calcula las masas (en g) de estos objetos, llenando la siguiente tabla: Resorte Constante del resorte Estiramiento Masa
1
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 50g para que midas el estiramiento del resorte y determines la constante del resorte “suave”, luego aumenta la condición del resorte a “duro” y cambia la masa por la de 250g, para que nuevamente determines la constante del resorte “duro” y escribe los resultados en la siguiente tabla: Resorte Masa Estiramiento Constante del resorte
Normal
50g
Suave 50g
Duro
250g
f. Con la masa de 250g en el resorte 3, en la condición de “duro”, sostén la masa en la línea que corresponde al resorte sin estirar, y suelta la masa para que se produzca un

movimiento armónico simple (M.A.S), para una mejor observación y precisión en las mediciones, haz clic en el tiempo “1/16” para tener un movimiento en cámara lenta. Activa también el reloj y toma el tiempo 5 oscilaciones para que calcules el periodo y lo compares con el periodo teórico. Cuelga también las masas de 50g y 100g en los resortes 1 y 2, para producir un M.A.S. similar al del resorte 3 y escribe los resultados en la siguiente tabla: Resorte Masa Tiempo en 5 oscilaciones Periodo experimental Periodo teórico
1
50g
2 100g
3
250g
g. Con el periodo experimental determina las constantes A, ω, Vmax, amax, y llena la siguiente tabla: Resorte masa A ω Vmax amax
1-50g
2-100g
3-250g
h. Determina el valor de la constante de fase Φ considerando que el movimiento inicia cuando se suelta desde arriba y escribe las ecuaciones de posición, velocidad y aceleración para el movimiento de las masas unidas a cada uno de los resortes 1, 2 y 3.

a. Haz clic en el botón de “pausa” y también activa tanto “reloj fotoactivado” como “otras herramientas”, donde aparecerá otro cronómetro. Mueve con el “mouse” la masa hasta que la cuerda forme un ángulo positivo de 15° con la vertical, después de esto, haz funcionar la simulación quitando la “pausa” haciendo clic en “seguir”, notarás el movimiento armónico simple en un péndulo simple. Puedes incluso observar en cámara lenta la simulación haciendo clic en los tiempos de “1/4” o el de “1/16”. b. A continuación, haz clic en reloj fotoactivado para que registres el periodo del péndulo para ese ángulo de 15°, luego activa el cronómetro para que midas el tiempo total de 5 oscilaciones y con ello determinar nuevamente el periodo, en este caso puedes poner la simulación en “cámara lenta” con los tiempos de “1/4” o el de “1/16”, para una mejor precisión de la medición. Observa que en este caso la masa del péndulo es de 1kg, y su longitud es de 2m. Este procedimiento repítelo para los ángulos del péndulo de 10° y de 5°, y escribe los resultados en la siguiente tabla: Ángulo Tiempo en 5 oscilaciones Periodo-cronómetro Periodo-reloj fotoactivado
15°
10°
5°
c. Con los datos del periodo con el reloj fotoactivado, determina el valor de la frecuencia angular y de la gravedad, escribiendo los resultados en la siguiente tabla: Ángulo Periodo-reloj fotoactivado Frecuencia angular Valor de la gravedad
15°
10°
5°
d. A continuación, deja fijo tanto el ángulo de 10°, como la longitud de la cuerda de 2m y cambia el valor de la masa de 1kg, a 1.5kg y 2kg, para que determines el periodo con

el reloj fotoactivado, así como el valor de la gravedad y escribe los resultados en la siguiente tabla: Masa Periodo-reloj fotoactivado Frecuencia angular Valor de la gravedad
1 kg
1.5 kg
2 kg
Sobre los resultados anteriores, indica de qué manera cambia el periodo en función de la masa del péndulo y porqué. e. Ahora, deja fijo el ángulo de 10° y la masa de 1kg, para que cambies la longitud de la cuerda de 2m a 1.5m y 1m, a fin de determinar el periodo con el reloj fotoactivado, así como el valor de la gravedad y escribe los resultados en la siguiente tabla: Longitud Periodo-reloj fotoactivado Frecuencia angular Valor de la gravedad
2m
1.5m
1m
Sobre los resultados anteriores, indica de qué manera cambia el periodo en función de la longitud del péndulo y porqué. a. Haz clic en las ventanitas de “reglas” y “contador”, reduce a cero en el botón de “amortiguación”, también activa las opciones de “sin final” y de “oscilación”, para tener la propagación constante de ondas en una cuerda, luego haz clic en “pausa” y también en el botón de “play” en el cronómetro. b. A continuación mide con las reglas horizontal y vertical, tanto la longitud de onda, como la amplitud de la onda en la cuerda. c. Haz funcionar la simulación paso por paso haciendo clic en “paso” para que registres el periodo de la onda y con ello calcula la velocidad de la onda y la frecuencia angular. d. Reduce el botón de “frecuencia” a 40 y haz clic en el botón de “play” por unos 3 segundos para que se ajuste a la nueva onda y luego haz clic en “pausa” para repetir

los incisos b) y c), por último reduce el botón de “frecuencia” a 30, y repetir todo lo anterior escribiendo los resultados obtenidos en la siguiente tabla de los parámetros de la onda: Botón de frecuencia A λ T V K ω
50
40
30
e. Con el botón de “frecuencia” en 30, aplica la función de “imprimir pantalla” para que obtengas las cuatro figuras de la onda propagándose en la cuerda para los casos en que la constante de fase toma los valores de 0 rad, . Como sugerencia, guíate con el punto rojo del disco del oscilador que genera la onda, el cual gira con velocidad angular negativa (a favor de las manecillas del reloj), que corresponde a una propagación de la onda en la dirección positiva del eje (x). f. Al disco del oscilador y la ubicación del punto rojo se le llama círculo de fase, en donde el parámetro de la onda ω “frecuencia angular”, corresponde a la velocidad angular del punto rojo en el círculo de fase. Para la propagación de las ondas, con el botón de frecuencia en 30, 40 y 50, registra el tiempo de una vuelta (periodo) del punto rojo en el círculo de fase, determinando la velocidad angular. Escribe los resultados en la siguiente tabla y compara estos valores con los de la frecuencia angular de la tabla del inciso d). Botón de frecuencia Tiempo en una vuelta (periodo) Velocidad angular (rad/s) Frecuencia angular en (rad/s)
50
40

30
a. En el simulador “Presión del fluido y el flujo”, maximicen la pantalla y hagan clic en la pestaña de torre de agua, también activen la regla y cinta métrica. b. Determinen, para tres fluidos diferentes, la presión manométrica y absoluta, tanto en el fondo del tanque como a la mitad. La densidad la pueden cambiar en el botón “Densidad del fluido”. c. Empleen también el medidor de presión. d. Comparen los resultados que obtuvieron en esta tabla. Fluido Densidad Altura Presión manométrica Presión absoluta Presión medidor
Gasolina
Gasolina
Agua
Agua
Miel
Miel
a. Realicen un documento que incluya la solución de cada problema, seleccionen la opción “Igualar flujo” en la llave donde sale el fluido hacia el tanque, comprueben que el fluido es agua, en caso de que no sea así, en el botón de “Densidad de fluido” pueden seleccionar el agua. b. Muevan la tapa roja para que le den salida al flujo de agua en la parte de abajo del tanque. c. Con la cinta métrica y la regla midan la altura del agua dentro del tanque, la altura de la base del tanque (donde sale el agua) hasta el piso, y el alcance horizontal del chorro de agua, que está llegando al piso. d. Escriban los resultados en la siguiente tabla: Altura del agua dentro del tanque

Altura de la caída de agua
Alcance horizontal del agua e. Ahora empleen ecuaciones de cinemática para el movimiento en un plano y determinen la velocidad a la que sale el agua en la parte baja del tanque. f. Utilicen la ecuación de Bernoulli para hallar esta misma velocidad, y también coloquen el medidor de velocidad en la salida del chorro de agua. g. Escriban los resultados en la siguiente tabla: Velocidad por cinemática
Velocidad por Bernoulli
Velocidad por el medidor
a. Seleccionen la opción “Manual” en la llave donde sale el fluido hacia el tanque. En ese momento el tanque empezará a vaciarse por lo que cierren la tapa roja y hagan clic en el botón de llenar. También activen la opción de “Movimiento lento” para mayor precisión en las mediciones. b. Abran la tapa roja y detengan la simulación con el botón de “pausa” en el momento que el chorro de agua toca el piso, para que con los medidores registren la velocidad de salida del chorro de agua, y la presión en el fondo del recipiente, así como el alcance horizontal. Quiten la “pausa” y cuando el tanque quede a la mitad (con 5 m de altura de fluido) vuelvan a poner “pausa” para registrar velocidad de salida, presión en el fondo y el alcance horizontal. c. Empleen también la ecuación de Bernoulli para determinar esta velocidad de salida en el chorro de agua. d. Escriban los resultados en la siguiente tabla: Altura del agua en tanque Presión en el fondo Velocidad por medidor Velocidad por Bernoulli Alcance horizontal
10 m
5 m Parte 1 En equipos

1. Reúnanse y seleccionen el cuarto de una casa, en donde se va a determinar que tanto calor por hora se transfiere del exterior al cuarto de esa casa, en donde se sugiere que una o dos de sus paredes estén en contacto con el exterior. El conocer este flujo de calor les ayudará a determinar el equipo de aire acondicionado adecuado que podría instalarse en ese cuarto. Para ello, realicen lo siguiente: a. Identifiquen los materiales con el que está construido el cuarto y obtengan las dimensiones geométricas del cuarto, escriban los resultados en la siguiente tabla: Sección del cuarto Materiales Espesores estimado
puerta
ventana
paredes
techo
piso
2. Sobre esta primera parte, reflexionen sobre el tipo de material con el que están construidos las paredes y el techo y pregúntense, de acuerdo al sentido común, ¿qué materiales serían mejor aislantes térmicos? Parte 2 3. Analicen y den solución a los siguientes problemas. 4. Hagan un documento que incluya la solución de cada problema. 5. Sobre esta segunda parte, reflexionen los valores de las conductividades térmicas de los materiales con los que está construido el cuarto, y en cuanto cambiarían dichas conductividades si se cambia, por ejemplo, las paredes y el techo por materiales que sean mejores aislantes térmicos. Parte 3 1. Analicen y den solución a los siguientes problemas. 2. Realicen un documento que incluya la solución de cada problema.

3. Sobre esta tercera parte, reflexionen sobre al valor obtenido del flujo de calor y el calor transferido en una hora, convirtiendo este calor en BTU, y propongan que cambios podría hacerse, ya sea en el diseño, o bien en parámetros geométricos, a fin de reducir este flujo de calor y lograr un mejor ahorro de energía. Nota: Considera que tu actividad debe estar documentada (proceso) y fundamentada. a. Seleccionen los valores de conductividad térmica para cada uno de los materiales. b. Calculen el área de cada sección del cuarto y escríbanlos en la siguiente tabla. Sección del cuarto Materiales Conductividad térmica Área
puerta
ventana
paredes
techo
piso
c. Midan las temperaturas interior y exterior del cuarto, colocando el termómetro pegado a la placa de cada sección del cuarto, en el caso del piso, como temperatura exterior debe estimarse la temperatura del subsuelo. d. Calculen el cambio de temperatura como la diferencia entre la temperatura exterior, con la del interior. Escriban los resultados en la siguiente tabla: Sección del cuarto Temperatura exterior Temperatura interior Cambio de temperatura
puerta
ventana
paredes

techo
piso
a. Empleen la ecuación de flujo o transferencia de calor para cada placa y determinen el flujo de calor, escribiendo los resultados en la siguiente tabla: Sección del cuarto Materiales Flujo de calor
puerta
ventana
paredes
techo
piso
b. c. Obtengan el total del flujo de calor y determinen el calor transferido en una hora en unidades de BTU: Flujo total de calor
Calor transferido en una hora en Joules
Calor transferido en una hora en BTU d. Hagan sugerencias que ayuden a reducir la transferencia de calor y sea menor el calor total transferido en una hora. e. Para comenzar deberás tener lista tu computadora o tableta, para que puedan funcionar correctamente los simuladores computacionales que se van a emplear como laboratorio de física virtual. Asegúrate de tener instalado los programas Java y Adobe Flash Player. f. Obtén las presiones y las velocidades en un medidor de Venturi y comprueba con los medidores de presión y de velocidad del laboratorio virtual de física.

g. Determina los valores de trabajo, calor y eficiencia de un ciclo termodinámico. h. Maximiza la pantalla y haz clic en la pestaña de flujo, también activa la regla y el medidor de flujo. i. 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 el medidor de flujo para que registres el área de esa sección angosta. j. 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 con las agarraderas que están a los lados para de esta manera tener construido virtualmente el medidor de Venturi, como se muestra en la siguiente figura: k. Llena la siguiente tabla sobre las mediciones anteriores: Sección Diámetro Área calculada Área del medidor de flujo
Ancha en entrada

Angosta
Ancha en salida
l. m. Aplica las ecuaciones de gasto de flujo, de continuidad y de Bernoulli para determinar las velocidades y presiones en las secciones anchas y angostas. Con el mouse arrastra los medidores de velocidad y de presión en las secciones anchas y angostas, y con esto puedes checar los resultados que calculaste con los valores que indican estos medidores. Escribe tus resultados en la siguiente tabla. Sección Gasto del flujo Velocidad Velocidad medidor Presión Presión medidor
Ancha en entrada
Angosta
Ancha en salida
5. Para el tercer criterio de evaluación de la actividad considera la siguiente gráfica, que indica cómo está variando la presión en función del volumen dentro de un cilindro que contiene dos moles de gas monoatómico: a. Determina las temperaturas en cada punto, empleando la ley de los gases ideales. Escribe los resultados en la siguiente tabla: Punto Volumen Presión Temperatura
a

b
c
b. c. 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 interna (ΔU)
a
b
c
d. e. Determina la eficiencia del sistema termodinámico: Parte 1. Variables termodinámicas En equipo revisen el siguiente diagrama de una máquina térmica y realicen el ejercicio: Los pistones de una máquina térmica funcionan con dos moles de gas ideal monoatómico, tardando un tiempo de 4 centésimas de segundo por ciclo y realizan una serie de procesos termodinámicos que se muestran en un diagrama “PV”, de un ciclo termodinámico reversible, que se presenta a continuación:

1. Calculen primeramente el volumen Vcd, tomando en cuenta que dé b → c el proceso es isotérmico. 2. Sigan determinando las temperaturas en cada punto, empleando la ley de los gases ideales y escriban los resultados en la siguiente tabla. Punto Volumen Presión Temperatura
a
b
c
d Parte 2. Valores de calor, trabajo y energía interna En equipo continúen trabajando con la información de la Parte 1 y realicen lo siguiente. 3. Calculen 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. Escriban los resultados en la siguiente tabla Proceso Calor (Q) Trabajo (W) Cambio energía interna (ΔU)
a
b
c
d Parte 3. Determinación de la eficiencia y potencia de la máquina térmica

En equipo continúen trabajando con la información de la Parte 1 y 2. Realicen. Determinen la eficiencia térmica, y escriban los resultados en la siguiente tabla: Calor total de entrada Trabajo neto Eficiencia térmica Porcentaje
4. Obtengan la potencia, y escriban a continuación los resultados: Trabajo neto Tiempo por ciclo Potencia en watts Potencia en H.P.
Nota: Considera que tu actividad debe estar documentada (proceso) y fundamentada. Entregable(s): Reporte con la información de las variables termodinámicas, y el cálculo de la eficiencia y potencia de la máquina térmica. Parte 1. Determinación del ángulo refractado En equipo realicen la siguiente actividad usando el simulador Torciendo la luz. 1. Maximicen la pantalla y hagan clic en el botón rojo para hacer funcionar el láser. 2. Seleccionen el transportador de la caja de herramientas y midan los ángulos incidente, reflejado y refractado. 3. Empleen la ley de Snell para determinar el ángulo teórico refractado. 4. Escriban los resultados en la siguiente tabla: Ángulo incidente Ángulo reflejado Ángulo refractado del simulador Ángulo refractado por lay de Snell
Parte 2. Determinación del ángulo crítico para reflexión interna total En equipo realicen la siguiente actividad usando el simulador Torciendo la luz. 5. Con el simulador revisen si se presenta el fenómeno de reflexión interna total. En caso de que no, hagan una reflexión al respecto, además de realizar el cálculo correspondiente.

6. Seleccionen el medio “agua”, en donde se encuentra el láser, y “aire” en el medio de refracción, y muevan el láser desde un ángulo de 30, hasta encontrar experimentalmente el ángulo crítico en donde se presenta el fenómeno de reflexión interna total. Escriban sus resultados en la siguiente tabla: Ángulo de incidencia Ángulo de refracción
30°
40°
50°
60°
θc
7. Empleen la ley de Snell para obtener analíticamente los ángulos refractados y escriban los resultados. 8. Encontrar el valor de ángulo crítico y chequen si hay diferencias entre la tabla anterior y esta: Ángulo de incidencia Ángulo de refracción
30°
40°
50°
60°

θc
9. Empleen la ley de Snell y verifiquen con el simulador el ángulo crítico para el caso de los medios incidente = vidrio, y medio refractado = agua. Escriban sus resultados en la siguiente tabla: Índice de refracción medio incidente Índice de refracción medio refractado Ángulo crítico
agua n1=1.33
aire n2=1
vidrio n1=1.5 aire n2=1 Parte 3. Determinación del índice de refracción del medio incidente En equipo realicen la siguiente actividad usando el simulador Torciendo la luz. 10. Seleccionen el caso del medio desconocido “Misterio A” y empiecen a mover el láser desde un ángulo de 10°, hasta encontrar experimentalmente el ángulo crítico en donde se presenta el fenómeno de reflexión interna total. Escriban sus resultados en la siguiente tabla: Ángulo de incidencia Ángulo de refracción
10°
15°
20°
25°

11. Una vez que conozcan experimentalmente el ángulo crítico, determinen analíticamente el valor del índice de refracción del medio incidente desconocido. 12. Seleccionen ahora el caso del medio desconocido “Misterio B” y repitan el procedimiento de los puntos. Escriban sus resultados en la siguiente tabla: Índice de refracción medio refractado Ángulo crítico Índice de refracción medio refractado
agua n1
aire n2=1
agua n1 aire n2=1 Nota: Considera que tu actividad debe estar documentada (proceso) y fundamentada. Entregable(s): Reporte con la información de los ángulos refractados, ángulos críticos e índices de refracción. Como evidencia del módulo 3 realizarás un reporte de las siguientes operaciones usando el simulador:  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. En el simulador Geometric optics: a. Haz clic en las ventanas de “rayos principal” para activar la regla. b. Fija el índice de refracción de la lente en 1.5, y su diámetro en 1 m . 2. Para el primer criterio de evaluación, emplea la fórmula del fabricante de lentes y realiza lo siguiente: a. Considerando una lente biconvexa, en donde R2= -R1, calcula analíticamente las distancias focales para tres lentes con radios de curvatura de 70 cm, 80 cm y 90 cm. 3. Escribe los resultados en la siguiente tabla y compara los resultados con la medición directa con la regla de la distancia focal, que es la distancia desde el centro de la lente, hasta el punto focal que está marcado con una X:

Radio de curvatura (R) Distancia focal calculada (f) Distancia focal medida con regla (f)
70 cm
80 cm
90 cm
4. Empleando la fórmula del fabricante de lentes, calcula los nuevos índices de refracción de las lentes, para mantener una distancia focal de 80 cm, con radios de 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 al valor del nuevo índice de refracción: Radio de curvatura (R) Nuevo índice de refracción (n) Distancia focal medida con regla (f)
70 cm
90 cm Para el segundo criterio de evaluación realiza lo siguiente: 1. En el simulador fija el índice de refracción de la lente en 1.5, el diámetro en 1 m y la distancia focal en 0.8 m y que esté activada la opción de “rayos principales” 2. Como la regla solo mide distancias horizontales, con un pedazo de hoja de papel, marca la longitud (vertical) del lápiz, desde la goma hasta la punta y escribe este valor que corresponde a la altura del objeto ho. 3. Dibuja en hojas el diagrama de los tres rayos principales, tanto los incidentes, como los refractados para que formes las imágenes en los diferentes casos de distancia (en cm) del objeto a la lente de:do = 200, 180, 120, 80 y 40 cm. 4. Después de realizar los dibujos de los diagramas de rayos para cada distancia, comprueba tus resultados empleando el simulador computacional, en donde debes colocar al lápiz-objeto a cada una de las distancias indicadas en el punto anterior. Por otro lado, asegúrate de colocar al objeto haciendo coincidir la goma del lápiz en el eje focal. Para cada una de estas distancias, con la ayuda de la regla, ve llenando de una vez la siguiente tabla de resultados, sobre las distancias (en cm) a la imagen ( di ) y las alturas (en cm) de la imagen ( hi ), así como el tipo de imagen, si es real o virtual, y

su orientación, si es derecha o invertida, todo esto te será de apoyo para el tercer criterio de evaluación: Distancia objeto ( do ) Distancia imagen ( di ) Altura imagen ( hi ) Tipo de imagen y orientación
200
180
120
80
40
5. Empleando la función de la tecla de tu computadora “imprimir pantalla”, graba cada una de las pantallas que muestran los diagramas de rayos para cada distancia del objeto a la lente, y posteriormente imprime en papel las pantallas grabadas, para que las anexes a tu reporte de resultados, correspondientes al segundo criterio de evaluación. Para el tercer criterio de evaluación realiza lo siguiente: 1. Empleando la ecuación de la lente (fórmula de Gauss), así como la ecuación de amplificación y altura de la imagen, realiza analíticamente los cálculos para obtener las distancias a la imagen, altura de la imagen y factor de amplificación. 2. Escribe tus resultados en la siguiente tabla: Distancia objeto ( do ) Distancia imagen ( di ) Altura imagen ( hi ) Factor de amplificación Tipo de imagen y orientación
200

180
120
80
40

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