fisica experimental, usando nuevas tecnologias

Física Experimental- S. Gil y E. Rodríguez Buenos Aires 2010 1

Física Experimental Experimentos de Física usando nuevas tecnologías

Salvador Gil

Prefacio: Objetivo del libro. Como usar este libro. A nuestros colegas. Encuadre filosófico,

Enfoque pedagógico adoptado en este trabajo, Agradecimientos.

Capítulo 0, Marco de referencia: Rol del laboratorio en el aprendizaje de las ciencias ¿Por qué

hacemos experimentos?

Módulo I Introducción a la metrología y análisis de datos Capítulo 1. Introducción a la teoría de errores Conceptos básicos de metrología –

Incertidumbres de medición

� Conceptos básicos de metrología. Errores de medición � Precisión y exactitud � Fuente de errores: apreciación, exactitud, interacción, definición � Clasificación de los errores: sistemáticos, estadísticos, espurios � Cifras significativas � Nonio, vernier o calibre � Ejercicios y problemas

Capítulo 2. Tratamiento estadístico de datos, Histogramas y estadística

� Histogramas y distribución estadística � Parámetros de localización de una distribución � Parámetros estadísticos de dispersión- desviación estándar � Distribución Normal o Gaussiana � Magnitud que se mide N veces � Número óptimo de mediciones � Combinación de mediciones independientes � Discrepancia � Ejercicios y problemas

Proyecto. I.1 Construcción de Histogramas y estudio de distribuciones empíricas.

Proyecto. I.2 Histograma obtenido artesanalmente

Capítulo 3. ♣Mediciones indirectas, Propagación de errores

� Propagación de incertidumbres � Truncamiento de números � Elección de los instrumentos � Propagación de incertidumbres con variable correlacionadas � Ejercicios y problemas


Capítulo 4. Métodos cualitativos de análisis gráfico

� Importancia de la representación gráfica � Elección de las variables � Relación lineal � Relación potencial � Relación exponencial � Transformación de variables – seudovariables � Sugerencias para generar gráficos � Ejercicios y problemas

Capítulo 5. ♣♣Métodos cuantitativos y regresión lineal

� Método de cuadrados mínimos. Regresión lineal � Correlación y causalidad � La navaja de Occam o criterio de parsimonia � Ejercicios y problemas

Capítulo 6. Introducción al análisis gráfico – Actividades Proyecto. I.3 Relación tamaño de una hoja y su longitud. Proyecto. I.4 Experimentos en casos reales

� Relación tamaño de una hoja y su masa. � Relación tamaño de una fruta y su masa. � Relación tamaño de una especie de mamífero y su longitud

Proyecto. I.5 Buscando leyes de conservación en la naturaleza. Proyecto. I.6 Importancia del tamaño en Biología Proyecto. I.7 Frecuencia de aparición de palabras en los idiomas. Ley de Zipf Proyecto. I.8 ¿Por qué la primera página de una tabla o manual de la biblioteca es en general la más ajada? Ley de Benford

Módulo II Experimentos Introductorios Capítulo 7. Experimentos simples de metrología y análisis de datos I – Medición de

densidades. Proyecto. II.9 El principio de Arquímedes I- Falsando una hipótesis Proyecto. II.10 Método de Arquímedes para determinar densidades I Proyecto. II.11 Estudio de la densidad y composición interna de la Tierra Proyecto. II.12 Temas complementarios: Composición y origen de la Tierra

Capítulo 8. Experimentos introductorios de mecánica: Péndulo simple y caída de los

cuerpos Proyecto. II.13 Descubriendo las leyes del péndulo – Fotointerruptores Proyecto. II.14 Estudio del movimiento en caída libre: Proyecto. II.15 Determinación de g Proyecto. II.16 Conservación de la energía

Anexo A. Ecuación de movimiento del péndulo simple Capítulo 9. La cámara digital como instrumento de medición en el laboratorio


Proyecto. II.17 Formas geométricas formadas por la sombra de una lámpara Proyecto. II.18 Estudio de la Caída libre Proyecto. II.19 Trayectoria de un chorro de agua Proyecto. II.20 ♣Uso de video para estudiar la cinemática de un cuerpo - fuerza de roce viscoso en el are

Proyecto. II.21 ♣Estudio de la cinemática del tiro oblicuo a) Caso de roce despreciable b) Caso de roce apreciable

Proyecto. II.22 Movimiento de un proyectil considerando la fuerza de roce – Tiro oblicuo Anexo A. Régimen laminar y turbulento Anexo B. Movimiento de caída en un medio fluido con roce proporcional a v2

Capítulo 10. Parábolas y Catenarias

Proyecto. II.23 Cadena simple sujeta por sus extremos Proyecto. II.24 Cadena con cargas Proyecto. II.25 Forma de arcos

Capítulo 11. La tarjeta de sonido de una PC como instrumento de medición

Proyecto. II.26 Determinación de la aceleración de la gravedad usando señales de audio

Proyecto. II.27 Determinación de velocidad de sonido

Capítulo 12. Midiendo el Sistema Solar desde el aula

Proyecto. II.28 Determinación del tamaño de la Luna y su distancia a la Tierra - Aristarco

Proyecto. II.29 Estimación del radio terrestre Proyecto. II.30 Determinación del tamaño de la Luna y su distancia a la Tierra – Hiparco

Proyecto. II.31 Distancia Tierra-Sol Proyecto. II.32 Distancia Venus-Sol y Mercurio-Sol Proyecto. II.33 Distancia a otros planetas Proyecto. II.34 Aplicaciones a la Astronomía y a la Astrofísica. Leyes de Kepler y Ley de Hubble

Proyecto. II.35 Expansión de Universo y Big Bang. ¿Cómo sabemos esto? ¿Cuando ocurrió? Anexo A. Trayectoria de un rayo de luz en la atmósfera. Anexo B. Períodos de la Luna

Capítulo 13. Experimentos simples Proyecto. II.36 Órdenes de magnitud Proyecto. II.37 Determinación del tiempo de reacción de una persona Proyecto. II.38 Histogramas Proyecto. II.39 Movimiento en una dimensión


Capítulo 14. Sistemas elásticos – Ley de Hooke Proyecto. II.40 Propiedades elásticas de un resorte Proyecto. II.41 Propiedades elásticas de una banda elástica Proyecto. II.42 Sistemas de resorte en serie y paralelo

Módulo III Experimentos de Mecánica Capítulo 15. Fuerza de rozamiento

Proyecto. III.43 Determinación del coeficiente de roce estático, µe Proyecto. III.44 Determinación del coeficiente de roce cinético µd Proyecto. III.45 Diferencia entre las fuerzas de roce estática y dinámica Proyecto. III.46 Fuerzas de roce estática y dinámica

Anexo A. Estudio del movimiento del sistema de dos cuerpos con roce seco Capítulo 16. Oscilaciones libres y amortiguadas

Proyecto. III.47 Estudio del sistema oscilante - Oscilaciones libres Proyecto. III.48 Oscilaciones libres Oscilaciones amortiguadas – roce viscoso Proyecto. III.49 Oscilador con rozamiento seco

Anexo A. Caso de fuerzas de roce dependiente del cuadrado de la velocidad. Roce turbulento Anexo B. Oscilador armónico con fuerza de roce turbulento

Capítulo 17. Masa efectiva de un resorte oscilante Proyecto. III.50 Oscilación de un resorte blando o Slinky y determinación de su masa efectiva.

Proyecto. III.51 Masa efectiva de un resorte Capítulo 18. Péndulos Físicos

� Período para amplitudes de oscilación pequeñas Proyecto. III.52 Estudio de un anillo oscilante Proyecto. III.53 Péndulo “No-Intuitivo” I Proyecto. III.54 Péndulo “No-Intuitivo” II

Capítulo 19. Péndulo de Kater Proyecto. III.55 Realización estándar de péndulo de Kater. Medición de g Proyecto. III.56 Péndulo de Kater “casero”

Capítulo 20. Péndulo cicloidal – Braquistócrona y tautócrona � Involutas e involutas

Proyecto. III.57 Péndulo simple – Variación del período con la amplitud Proyecto. III.58 Péndulo cicloidal Proyecto. III.59 Péndulo cicloidal perturbado Proyecto. III.60 Péndulo con evoluta semicúbica

Capítulo 21. Oscilaciones forzadas – Resonancia en sistemas mecánicos Proyecto. III.61 Oscilaciones forzadas

Capítulo 22. Dinámica de una cadena en movimiento

� Cadena colgante del borde de una mesa o a través de un tubo Proyecto. III.62 Cadena colgante del borde de una mesa o a través de un tubo

� Cadena en caída vertical – Estudio del movimiento de un saltador Bungee Proyecto. III.63 Cadena colgante en caída vertical- Saltador Bungee


Capítulo 23. Sistemas mecánicos de masa variable-Materiales granulares � Flujo de materiales granulares

Proyecto. III.64 Estudio experimental de los flujos agua y arena Proyecto. III.65 Influencia de la forma del recipiente en los flujos arena Estudio del flujo granular.

Proyecto. III.66 Dependencia del flujo de arena con el área del orificio de salida. Proyecto. III.67 Determinación del momento de inercia de una polea. Proyecto. III.68 Máquina de Atwood con masa constante Proyecto. III.69 ♣♣Máquina de Atwood de masa variable.

� Divertimento: Experimento de la taza y la llave Proyecto. III.70 ♣♣Oscilador armónico de masa variable Proyecto. III.71 Péndulo de masa variable

Anexo B. Máquina de Atwood con masas constantes Anexo C. Máquina de Atwood con masa variable Anexo D. Oscilador de masa variable Anexo E. Derivando datos experimentales.

Capítulo 24. Estudio de una barra en rotación- Estabilidad de las rotaciones

� Consideraciones sobre sistemas rotantes-no inerciales Proyecto. III.72 Estudio de una barra en rotación

Anexo B. Descripción teórica de una barra en rotación Capítulo 25. Propiedades elásticas de los materiales. Módulo de rigidez. Flexión

de barras.

Proyecto. III.73 Medición del módulo de Young de alambres de cobre, acero, etc. por método de carga y descarga. � ♣Flexión de barras - Teoría de Euler-Bernoulli � ♣Barra empotrada con un extremo libre � ♣Vibraciones de una barra

Proyecto. III.74 Medición del módulo de Young de barras por método estático- Deflexión de barras. Medición cargas y flecha.

Proyecto. III.75 Deflexión de barras. Determinación de la forma mediante fotografías digitales cargas y flecha

Proyecto. III.76 Deflexión de una barra delgada. Determinación de la forma mediante fotografías digitales

Proyecto. III.77 ♣ Medición del módulo de Young de barras por método dinámico. Proyecto. III.78 ♣♣Medición del módulo de Young a partir del sonido emitido por la muestra al ser golpeada.

Módulo IV Experimentos de Electricidad y Magnetismo

Capítulo 26. Campos y potenciales electrostáticos – Ecuación de Laplace. � Resolución numérica de la ecuación de Laplace, método de relajación � Condiciones de borde de Dirichlet y Neumann

Proyecto. IV.79 Análisis semi-cuantitativo Proyecto. IV.80 Análisis cuantitativo – Método de relajación I


Proyecto. IV.81 Análisis cuantitativo – Método de relajación II Proyecto. IV.82 Estimación del vector campo eléctrico

Capítulo 27. Circuitos simples Proyecto. IV.83 Construcción de un divisor de tensión Proyecto. IV.84 Determinación de las características voltaje-corriente de un conductor metálico. Ley de Ohm � Influencia de la resistencia interna de los voltímetros � Influencia de la resistencia interna de los amperímetros � Determinación de la resistencia interna de amperímetros y voltímetros � Curva V-I de un componente eléctrico

Proyecto. IV.85 ¿Las lámparas incandescentes, obedecen la ley de Ohm? Proyecto. IV.86 Proyecto 4.- Resistencias en serie y en paralelo. Uso de un óhmetro

Proyecto. IV.87 Determinación de las características voltaje-corriente usando un sistema de adquisición de datos Anexo A. Entradas en modo común y diferenciales

Capítulo 28. Circuitos Equivalentes-Teoremas de Thévenin y Norton Proyecto. IV.88 Modelo de una fuente Proyecto. IV.89 Curva de potencia de una fuente

Capítulo 29. Puente de Wheatstone y puente de hilo – Potenciómetros logarítmicos Proyecto. IV.90 Estudio experimental del puente

� Puente de hilo � Precisión del puente de hilo � Incertidumbres en las mediciones con puente de hilo:

Proyecto. IV.91 Determinación del valor de una resistencia incógnita usando un puente de hilo

Proyecto. IV.92 Redes de resistencias � Red de grafito o realizada con una impresora de chorro de tinta

Proyecto. IV.93 Resistencia de muestras triangulares y Potenciómetros logarítmicos Capítulo 30. Método de las cuatro puntas o método de Kelvin para medir

resistencias y resistividad

� Método de las cuatro puntas o método de Kelvin � Medición de la resistividad de una muestra geometría simple � Determinación de la resistividad de una muestra bidimensional � Muestra tridimensional grande, método de Wenner

Proyecto. IV.94 Medición de la resistividad de un alambre por el método de las cuatro puntas

Proyecto. IV.95 Determinación de la resistividad de una muestra plana Capítulo 31. Variación de la resistencia con la temperatura

� Modelo simples de conducción en sólidos Proyecto. IV.96 Variación de la resistencia con la temperatura de un metal Proyecto. IV.97 Variación de la resistencia con la temperatura de un alambre metálico por el método de las cuatro puntas

Capítulo 32. Conducción en líquidos – Estimación de la carga del electrón � Modelo simples de conducción en líquidos-Electrólisis

Proyecto. IV.98 Conductividad de un líquido - estudio semicuantitativo


Proyecto. IV.99 Conductividad de un líquido – Relación Voltaje-Corriente Proyecto. IV.100 Conductividad de un líquido – Efecto de la temperatura Proyecto. IV.101 Estimación de la carga del electrón

Capítulo 33. Condensadores y dieléctricos Proyecto. IV.102 Condensadores en serie y paralelo, instrumental y mediciones básicas

Proyecto. IV.103 Condensador de placas planas paralelas. Variación de la capacidad con la geometría

Proyecto. IV.104 Variación de la capacidad con el medio dieléctrico Proyecto. IV.105 Ocupación parcial del medio dieléctrico del espacio entre las placas

Capítulo 34. Circuito RC Proyecto. IV.106 Carga y descarga de un condensador usando un sistema de adquisición de datos conectado a una PC

Proyecto. IV.107 Circuito RC Respuesta estacionaria. Señal de excitación cuadrada Proyecto. IV.108 Circuito RC Respuesta estacionaria. Señal de excitación sinusoidal

Capítulo 35. Fuerza de Lorentz , ley de Ampère Proyecto. IV.109 Estudio de la fuerza magnética entre dos espiras circulares

Capítulo 36. Ley de Ampère – Ley de Biot-Savart – Mediciones de campo

magnético Proyecto. IV.110 Campo magnético terrestre Proyecto. IV.111 La brújula como magnetómetro. Campo magnético axial de una espira

Proyecto. IV.112 Medición de campos magnéticos usando un sensor de efecto Hall Proyecto. IV.113 Campo magnético de un imán permanente Proyecto. IV.114 Estudio del campo magnético producido por dos bobinas idénticas en serie. Análisis de un par de Helmholtz

Proyecto. IV.115 Estudio de la ley de Ampère usando un sensor Hall Proyecto. IV.116 Campo magnético de un imán cilíndrico hueco Proyecto. IV.117 Corrientes de magnetización y ley de Ampère generalizada

Capítulo 37. Ley de inducción de Faraday – Inducción mutua Proyecto. IV.118 Campo magnético de una espira a lo largo de su eje usando un lock-in amplifier

Capítulo 38. Ley de inducción de Faraday – Autoindución y circuito RL Proyecto. IV.119 Fem inducida por un imán que oscila en el eje de una espira Proyecto. IV.120 Física de la caída de un imán permanente por un tubo conductor Proyecto. IV.121 Redes de resistencias eléctricas. Proyecto. IV.122 Dependencia de la resistencia con la geometría usando muestras de papel metalizado

Capítulo 39. Levitación electromagnética, Estudio del anillo de Thomson Capítulo 40. Oscilaciones eléctricas – Circuitos RLC serie. Oscilaciones libres y forzadas.

Capítulo 41. Osciladores eléctricos no-lineales Proyecto. IV.123 Circuitos RLC en serie y paralelo Proyecto. IV.124 Circuitos oscilantes acoplados – Oscilaciones forzadas de dos o más circuitos RLC con acoplamiento variable. Efecto Wigner–von Neumann de repulsión de frecuencias


Capítulo 42. Apantallamiento electromagnético Proyecto. IV.125 Dependencia de la impedancia de un conductor con la frecuencia - Efecto piel.

Módulo V Experimentos de Ondas y Óptica Capítulo 43. Medición de la velocidad del sonido por reflexión de pulsos sonoros en un tubo.

Capítulo 44. Ondas en cuerdas – Modos normales de oscilación – Resonancia Capítulo 45. Física y música. Ondas en una cuerda de guitarra Capítulo 46. Ondas estacionarias – sistemas resonantes

Proyecto. V.126 Tubo de Kundt Proyecto. V.127 Resonancia de tubos abiertos y cerrados de diámetros variables usando un “Lock In Amplifier” o un sistema de adquisición en modo LockIn. Dependencia del ancho de las resonancias con la geometría de los tubos.

Proyecto. V.128 Resonadores de Helmholtz – Cavidades resonantes acústicas Proyecto. V.129 Ondas acústicas en una caja prismática

Capítulo 47. Óptica física usando ultrasonido Capítulo 48. Interferencia y Batido Capítulo 49. Leyes de la reflexión y refracción

Proyecto. V.130 Reflexión en superficies curvas- Estudio de las cáusticas. Proyecto. V.131 Aplicaciones de las leyes de la reflexión y la refracción - Prismas (¿?) Proyecto. V.132 Óptica geométrica – Lentes delgadas Proyecto. V.133 Lentes divergentes, lentes gruesas – Aberraciones

Capítulo 50. Difracción e interferencia de la luz – La luz como fenómeno ondulatorio Capítulo 51. Polarización – Ley de Malus – La luz como onda transversal Capítulo 52. La luz como fenómeno electromagnético - Leyes de Fresnel

Proyecto. V.134 Velocidad de la luz en cables coaxiales, por reflexión de pulsos Capítulo 53. Efecto Doppler. Capítulo 54. Estudio de sistemas periódicos.

Proyecto. V.135 "Band Gap" en la transmisión por cables a radiofrecuencias

Módulo VI Experimentos de Fluidos, Termodinámica y Termometría Capítulo 55. Tensión superficial Capítulo 56. Termometría – Sensores de temperatura

Proyecto. VI.136 Termometría – Ley de enfriamiento Proyecto. VI.137 Conservación de la energía y calorimetría

Capítulo 57. Transiciones de fase – Calor latente de transformación Capítulo 58. Equivalente eléctrico y mecánico del calor Capítulo 59. Procesos termodinámicos – Leyes de los gases ideales Capítulo 60. Determinación de la masa molecular de un gas.

Proyecto. VI.138 Conducción y pérdida de calor en una barra metálica. Proyecto. VI.139 Conducción y pérdida de calor en una placa metálica.


Capítulo 61. Calentamiento Global, temperaturas del pasado y ondas térmicas Capítulo 62. Ley de enfriamiento de Newton con reservorios finitos. Capítulo 63. Medición del cociente de calores específicos de un gas – Experimentos de Rüchardt y de Clement-Desormes.

Capítulo 64. Estudio de la ecuación de Bernoulli en el caso de un recipiente con pérdida- Experimento de Torricelli

Capítulo 65. Movimiento de una esfera en un fluido viscoso – Ley de Stokes. Dependencia de la fuerza de roce viscosa con la velocidad. (está en cap.9) Proyecto. VI.140 Estudio experimental de a ley de Hagen-Poiseuille. Flujos laminar y turbulento.

Capítulo 66. Difusión: difusión de permanganato de potasio en agua y turbulento. Capítulo 67. Medición de tensión superficial –

Proyecto. VI.141 Efecto de un surfactante. Dilución óptima de un detergente

Módulo VII Módulo de Física Moderna y astrofísica Capítulo 68. Interferometría - Experimento de Michelson Capítulo 69. Materiales ferromagnéticos – Transiciones de fases Capítulo 70. Naturaleza estadística del decaimiento radioactivo Capítulo 71. Dinámica relativista – Colisiones de electrones y fotones – Efecto Compton Capítulo 72. Interacción de la radiación electromagnética con la materia Capítulo 73. Determinación de la vida media del 40K – Nucleosíntesis Capítulo 74. Determinación de la banda de energía prohibida de semiconductores Capítulo 75. Fonones en sólidos – Determinación de la temperatura de Debye Capítulo 76. Midiendo el sistema solar en el laboratorio o el aula con ayuda de una cámara digital e Internet. (esta en Cap. 9)

Capítulo 77. Luminosidad de Sol, medición de la potencia del Sol. Capítulo 78. Transiciones de fase en superconductores

Capítulo 79. Propiedades irreversibles de superconductores

Apéndices Apéndice A. Método de regresión lineal- Significación de Parámetros de un ajuste Apéndice B. Regresión no-lineal Apéndice C. Determinación de la diferencia de fases entre dos señales Apéndice D. Introducción a los “Lock in amplifiers” Apéndice E. Técnicas de Monte Carlos para peatones – Derivar o no derivar datos experimentales. Apéndice F. Período de un péndulo simple Apéndice G. Fotómetros – Construcción y calibración Apéndice H. Sugerencias para la realización de un proyecto experimental Apéndice I. Pautas y sugerencias para la redacción de informes Apéndice J. Sugerencias para las presentaciones orales


Apéndice K. Normas de seguridad en el laboratorio Estado de situación: (17-10-20010)

� Capítulos oficialmente entregados para su revisión en mayo del 2010

Cap. 1 al 12 + Introducción Al 2 de Septiembre tenemos devolución verbal solamente .

� Próxima entrega, una vez obtenida la devolución. Resto de los capítulos de mecánica. .

Estado de situación: (10-8-20010)

� Capítulos oficialmente entregados para su revisión en mayo del 2010 Cap. 1 al 12 + Introducción Al 2 de Septiembre tenemos devolución verbal solamente .

� Próxima entrega, una vez obtenida la devolución. Resto de los capítulos de mecánica. .

Temas que dijimos de incluir y no lo hicimos aún: ( a mi criterio no son imprescindibles)

� Levitación electromagnética, Estudio del anillo de Thomson (SG) � Estudio de líquidos acelerados. Análisis de la forma de la superficie libre con fotografía digital. (ER)

� Velocidad de la luz en cables coaxiales, por reflexión de pulsos (SG)

� Resonancia de tubos abiertos y cerrados de diámetros variables usando un “Lock In Amplifier” o un sistema de adquisición en modo LockIn. Dependencia del ancho de las resonancias con la geometría de los tubos. (SG) (Una actividad pequeña dentro de tubo de Kuntd)

� Estudio de sistemas periódicos. "Band Gap" en la transmisión por cables a radiofrecuencias (SG)

� Campo magnético de una espira a lo largo de su eje usando un lock-in amplifier (Una actividad pequeña dentro de ley de faraday) (SG)

� Técnicas de Monte Carlos para peatones – Derivar o no derivar datos experimentales Apéndice (SG)

� ♣Medición de resistividades: método de van der Pauw (¿?) (en el índice , en rojo lo que falta)

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