Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales 1

Segundo cuatrimestre División: Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales

Cuaderno de prácticas

Física Módulo 1

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El Cuaderno de prácticas es una herramienta de actividades formativas que contribuye a desarrollar las capacidades necesarias para el manejo adecuado de los modelos que se presentan a lo largo de la asignatura. La actividad de la práctica la identificarás a lo largo del programa desarrollado mediante el siguiente ícono:

La Física es una ciencia experimental, por lo que todas las teorías establecidas y todas las leyes enunciadas siempre tienen un apoyo práctico. Por ello, el propósito de este cuaderno de prácticas es acompañar una serie de actividades en el Aula virtual, integrándose por una serie de ejercicios prácticos de gran valor formativo. Por lo tanto, es preciso prestar la máxima atención a las actividades que se desarrollan, preparando de antemano las consideraciones técnicas y aplicando puntualmente las instrucciones que se proporcionan.

No es posible lograr la competencia general de la asignatura sin mediación del laboratorio. Sería necesario un laboratorio para obtener los datos requeridos, el software que se utiliza en los ejercicios propuestos en este cuaderno de prácticas reemplaza al laboratorio físico. El software es de libre acceso y sin costo alguno.

La estructura textual para reportar tu práctica ya sea elaborada de forma colaborativa o individual se conforma con los siguientes diez apartados:

Título

Nombre

Introducción

Modelo teórico

Desarrollo

Datos

Análisis de datos

Resultados

Conclusiones

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Bibliografía

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Las prácticas individuales son aquellas que realizas por tu parte y entregas al Facilitador(a) mediante la sección de Tareas para que recibas retroalimentación por parte del mismo. Las prácticas colaborativas son aquellas que se elaboran en equipo y se suben a la base de datos con la finalidad de que recibas aportaciones de tus compañeros(as) de grupo y puedas enriquecer tu trabajo. También deberás participar contribuyendo a la mejora de los trabajos de los demás equipos.

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Las prácticas de la unidad 3 tienen como propósito modelar fenómenos físicos, en el caso de esta unidad, fenómenos electromagnéticos. Se describen los fenómenos a estudiar, se construye o revisa el modelo que se usa, revisando la formulación matemática, las variables, los estados iníciales y las fuerzas que actúan sobre partículas cargadas, posteriormente se prepara la visualización del modelo. Los datos que se obtienen al trabajar el modelo ayudan a predecir eventos pasados o futuros que no son posibles observar de manera empírica. Para lograr los fines propuestos, se usa el programa EJS (Easy Java Simulation).

Easy Java Simulations (EJS)

Easy Java Simulations es una herramienta de software diseñada para la creación de simulaciones discretas por computadora.

Una simulación discreta por computadora, o simplemente una simulación por computadora, es un programa de computador que intenta reproducir, con fines pedagógicos o científicos, un fenómeno natural a través de la visualización de los diferentes estados que éste puede presentar. Cada uno de estos estados está descrito por un conjunto de variables que cambia en el tiempo debido a la iteración de un cierto algoritmo.

Todo esto significa que EJS es un programa que le ayuda a crear otros programas; para

ser más específicos, simulaciones científicas.

Existen muchos programas que ayudan a crear otros programas. Lo que hace a EJS diferente de la mayoría de los otros productos es que éste no ha sido diseñado para hacer la vida más sencilla a los programadores profesionales, sino que ha sido concebido por profesores de ciencias para ser usado por profesores y estudiantes de ciencias. Esto es, para personas que están más interesadas en el contenido de la simulación, en el fenómeno mismo que se simula, que en los aspectos técnicos necesarios para construir la simulación.

Easy Java Simulations es una herramienta de modelado y de autor expresamente dedicada a esta tarea. Ha sido diseñado para permitir a sus usuarios trabajar a un alto nivel conceptual, usando un conjunto de herramientas simplificadas y concentrando la mayoría de su tiempo en los aspectos científicos de la simulación, y pidiendo al computador que realice automáticamente todas las otras tareas necesarias pero fácilmente automatizables.

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Consideraciones técnicas: Para realizar las prácticas de la unidad tres considera los siguientes requerimientos técnicos:

Entorno de ejecución de Java (Java RuntimeEnvironment o JRE) 1.5 o posterior. Windows, Linux/Unix o MacOS

Descarga

¿No estás seguro de qué descargar? Lee las instrucciones de descarga.

EJS_4.3.2_110226 (yymmdd indica el año, el mes y el día en que se compiló esta versión).

La versión 4.2 de EJS introduce nuevos métodos de resolución de EDO y más tipos de eventos.

Instalar

Descomprime el archivo de distribución. Esto creará una nueva carpeta, por ejemplo, EJS_4.2.

Arranque EJS con el archivo EjsConsole.jar.

Puedes también leer instrucciones de instalación más detalladas.

Código fuente

Easy Java Simulations es código abierto (Open Source) bajo una licencia GNU GPL. Si estás interesado, puedes descargar el código fuente y los datos completos para recompilar EJS.

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Práctica 1. Fuerza de Lorentz

Modelar la trayectoria de una partícula cargada en un campo magnético y eléctrico constante.

El modelo que se muestra está incompleto y deben terminarlo agregando las ecuaciones de movimiento apropiadas.

1. Descarga la simulación ejs_trayectoriaCampoExB.jar que se encuentra en el Aula

virtual.

2. Corre la simulación1.

3. Observa que al cambiar los campos magnéticos no tiene ningún efecto en el

movimiento. Esto se debe a que la fuerza de Lorentz no está completa

4. Da clic derecho sobre la simulación y da clic en Abrir Modelo EJS2.

5. Selecciona Modelo y observa la página de Evolución. La fuerza que gobierna al movimiento es simplemente:

o

La página de Evolución necesita seis ecuaciones. Tres para definir la velocidad y tres para definir la aceleración. ¿Por qué son tres de cada una?

Para que el campo magnético tenga impacto en el movimiento, necesitas incluir el campo magnético en la ecuación de Lorentz:

)

La componente de esta ecuación es:

6. Explica porqué y da las componentes restantes :

7. Completa el modelo usando las ecuaciones apropiadas de la aceleración.

1Antes de iniciar tu actividad descarga la simulación ejs_trayectoriaCampoExB.jar 2 Debes tener instalado EJS.

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Para quitar las palabras Modelo Incompleto, ve a la página de Modelo, Variables, Display y cambia ModelComplete de False a True

Prueba para para ver si has configurado el modelo correctamente.

Si , y o ) e inicialmente , y

( deberías ver una trayectoria circular. Explica porque y qué otras

configuraciones darían una trayectoria circular. Pruébalas y verifica que son circulares. Explica cómo generar un círculo de menor radio.

Si , e inicialmente , explica porqué se da esa trayectoria.

Si , , e inicialmente , explica porqué el movimiento es el mismo

sin importar el valor de .

Si , e inicialmente , explica porqué la partícula no cambiaría la componente de su movimiento. Prueba el caso en la simulación.

8. Reporta tu práctica de acuerdo con la estructura textual predeterminada. 9. Envía tu práctica mediante la sección de Tareas y espera la retroalimentación de tu

Facilitador(a).

Práctica 2. La onda electromagnética

Esta práctica es colaborativa por lo que tu Facilitador(a) deberá dividir al grupo en

equipos de 3 a 5 estudiantes, asignar a cada equipo un número que lo identifique y por

último dar el número de equipo a sus estudiantes. Comienza a trabajar en equipo y

realicen lo siguiente: Modelado de ondas electromagnéticas.

Para poder modelar las ondas electromagnéticas es necesario conocer sus propiedades. Realicen lo siguiente:

1. Descarguen la simulación ejs_ondasmagneticasf.jar que se encuentra en el Aula

virtual.

2. Obtengan la ecuación de onda de las ecuaciones de Maxwell. 3. Describan la forma de obtener el valor de la velocidad de la luz en el vacío. 4. Expliquen por qué se consideran las ondas electromagnéticas transversales. 5. Describan la relación entre las magnitudes del campo eléctrico y magnético. 6. Modelen una onda electromagnética con las siguientes características:

a. La frecuencia y longitud de onda de una señal electromagnética que pueda ser transmitida desde un satélite geoestacionario a un punto en la Tierra.

b. La relación adecuada entre la magnitud del campo magnético y eléctrico. 7. Reporten su práctica de acuerdo con la estructura textual predeterminada.

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8. Nombren a un representante de equipo para que sea el encargado de subir su

trabajo a la Base de datos y esperen los comentarios de sus compañeros(as).

9. Lean todas las aportaciones que realicen sus compañeros a su trabajo y ustedes

también descarguen y comenten los trabajos de los demás equipos.

10. Una vez que la mayoría de sus compañeros(as) haya hecho comentarios a su

trabajo, organícense nuevamente con su equipo y elaboren una segunda versión

considerando las aportaciones, de tal manera que puedan mejorar su documento.

*Recuerden respetar las aportaciones de sus compañeros(as) y tratar de complementarlas con acierto.

11. Por último, cada integrante del equipo debe subir la segunda versión del reporte a la Base de datos para que pueda ser evaluado.

Práctica 3. Modelo de un circuito RLC con batería

Un circuito sencillo en serie RLC con una fuente de voltaje Vs.

El modelo del circuito RLC simula un resistor , un capacitor y un inductor en serie con una batería y grafica la dependencia del tiempo de caída de voltaje a través de estos

elementos. La resistencia refleja todas las pérdidas de energía en el circuito. La

ecuación diferencial para la carga en el capacito se encuentra aplicando la regla de la malla de Kirchhoff.

Como se resuelve un modelo dinámico, se observan cambios cuando la simulación se

corre y el voltaje de la batería cambia. El parámetro de paso de tiempo configura el incremento de tiempo entre las medidas del voltaje y el parámetro de número de puntos

configura el la cantidad de datos que serán desplegados. La gráfica se muestra

después de que puntos de datos se han salvado, ya que los datos que se toman en un inicio se desechan.

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*Esta práctica es colaborativa por lo que para llevarla a cabo es importante que te

organices con el equipo que te asignará tu Facilitador(a). Realicen lo siguiente:

1. Descarguen la simulación ejs_RlcCircuitoConBateria.jar que se encuentra en el

Aula virtual.

2. Investiguen el comportamiento de un circuito .

3. Corran el modelo y observen lo que ocurre al cambiar el voltaje de la batería.

Aumenten el valor del paso de tiempo entre puntos a y observen

cómo se visualizan los cambios conforme se modifica el voltaje de la batería.

Expliquen cómo se relaciona y al tiempo de barrido en un osciloscopio.

4. Cambien el valor de la inductancia, la resistencia y la capacitancia. Observen

que la gráfica muestra la fuente de voltaje (en gris) así como los voltajes en cada

elemento del circuito (los colores se muestran en la parte superior de la

pantalla).

5. Seleccionen un punto específico en el tiempo y mide los voltajes, verifiquen que

el voltaje a través del inductor (rojo), el resistor (verde) más el capacitor es igual

al valor del voltaje de la fuente (gris).

6. Describan lo que ocurre al voltaje a través de cada elemento inmediatamente

después de que la fuente de voltaje cambia. Expliquen sus observaciones.

7. La frecuencia de oscilación para oscilaciones no amortiguadas está dada por

. Pongan la resistencia a cero y midan este periodo de oscilación.

Seleccionen diferentes valores de y y observa la nueva frecuencia.

Expliquen si los voltajes del inductor y del capacitor son los mismos.

8. Debido a la perdida de energía, la frecuencia de las oscilaciones libres llega a

ser menor donde . Explica cómo cambian las curvas cuando

la resistencia se incrementa y .

9. Reporten su práctica de acuerdo con la estructura textual predeterminada.

10. Nombren a un representante de equipo para que sea el encargado(a) de subir

su trabajo a la Base de datos y esperen los comentarios de sus

compañeros(as).

11. Lean todas las aportaciones que realicen sus compañeros(as) a su trabajo y

ustedes también descarguen y comenten los trabajos de los demás equipos.

12. Una vez que la mayoría de sus compañeros(as) haya realizado comentarios a

su trabajo, organícense nuevamente con su equipo y elaboren una segunda

versión considerando las aportaciones, de tal manera que puedan mejorar su

documento.

13. Por último, cada integrante del equipo debe subir la segunda versión del reporte

de la práctica a la Base de datos para que pueda ser evaluado.