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Manual de prcticas del Laboratorio de

Fundamentos de Fsica

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Fecha de emisin 20 de enero de 2017

Facultad de Ingeniera rea: Laboratorio de Fundamentos de Fsica La impresin de este documento es una copia no controlada

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Manual de Prcticas de Laboratorio de Fundamentos de Fsica

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M en E. Elizabeth Aguirre Maldonado

M en I. Rigel Gmez Leal

Ing. Gabriel Alejandro Jaramillo

Morales

M en A. M. del Carmen Maldonado Susano

Q. Antonia del Carmen Prez Len

M en I Juan Carlos Cedeo Vzquez

Ing. Gabriel Alejandro Jaramillo Morales

Ing. Gabriel Alejandro

Jaramillo Morales

20 de enero de 2017



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Contenido

Pginas

Prctica 1 ......................................................................................................................................... 3

Caracterizacin de un voltmetro analgico ............................................................................... 3

Prctica 2 ....................................................................................................................................... 12

Caracterizacin de un dinammetro ......................................................................................... 12

Prctica 3 ....................................................................................................................................... 21

Propiedades de las sustancias ................................................................................................... 21

Prctica 4 ....................................................................................................................................... 28

Gradiente de presin.................................................................................................................... 28

Prctica 5 ....................................................................................................................................... 38

Algunas propiedades trmicas del agua ................................................................................... 38

Prctica 6 ....................................................................................................................................... 50

Leyes de la Termodinmica ........................................................................................................ 50

Prctica 7 ....................................................................................................................................... 58

Movimiento ondulatorio................................................................................................................ 58



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Prctica 1 Caracterizacin de un voltmetro

analgico



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1. Seguridad en la ejecucin

Peligro o fuente de energa Riesgo asociado

1 Foco incandescente Quemadura por tocar la ampolla del mismo al estar encendido y/o recin apagado igualmente al acercarle la cara.

2 Fuente de poder

Girar las 2 perillas de corriente y voltaje en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj, por si la brigada del grupo anterior las dej al mximo y al encender la fuente se pueda daar el circuito.

2. Objetivos de aprendizaje

a) Determinar el rango, la resolucin y la legibilidad del voltmetro (caractersticas estticas).

b) Calcular la precisin y la exactitud del voltmetro para cada valor patrn en el

rango de experimentacin. c) Determinar la incertidumbre para las mediciones de cada valor patrn

utilizado.

d) Determinar los valores ms representativos para los valores patrones utilizados incluyendo sus incertidumbres.

e) Obtener la curva de calibracin y su ecuacin para el voltmetro bajo estudio. f) Determinar la sensibilidad y el error de calibracin del voltmetro.


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3. Material y equipo

fuente de poder de 0 hasta 30 [V] con 5 [A] mximo, con voltmetro digital integrado voltmetro analgico de 0 a 50 [V] foco incandescente de 60 [W] base para foco con cables de conexin dos cables de conexin cortos

4. Desarrollo de las actividades

Actividad 1 Analizar el voltmetro por caracterizar, registrar marca y modelo, e identificar sus caractersticas estticas: rango, resolucin y legibilidad, en su caso, aclarar estos conceptos. Verificar el ajuste a cero del voltmetro y, de ser necesario, hacer el ajuste mecnico con el tornillo colocado al centro de la parte inferior de la cartula.

Marca Modelo Rango Resolucin Legibilidad

Actividad 2 Armar el circuito mostrado en la figura 1, sin poner en funcionamiento la fuente de poder y verificar que las perillas de corriente y voltaje estn totalmente giradas en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj ( ).


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Figura 1. Dispositivo experimental.


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Actividad 3 Encender la fuente y con giros pequeos de las dos perillas graduar los valores de la diferencia de potencial (voltaje), aplicada al foco, en el circuito; tomar el valor del voltmetro digital como valor patrn y registrar la lectura del voltmetro analgico.

Actividad 4 Llene la siguiente tabla de mediciones en forma creciente y luego decreciente (zig-zag) hasta completar las cinco columnas.

[V] VL1 [V] V L2 [V] V L3 [V] V L4 [V] V L5 [V] [V]

2.5

4.5

6.5

8.5

10.5

12.5

14.5


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Actividad 5 Complete la tabla con los clculos necesarios empleando las expresiones matemticas proporcionadas.

[V] [V] % EE % E % EP % P V [V] V [V]

2.5

4.5

6.5

8.5

10.5

12.5

14.5

Nomenclatura:

valor patrn

valor ledo promedio

% EE porcentaje de error de exactitud % E porcentaje de exactitud % EP porcentaje de error de precisin % P porcentaje de precisin

V incertidumbre para las mediciones de cada valor patrn utilizado

V valor ms representativo con su incertidumbre


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5. Cuestionario

1. Para qu valor de el voltmetro presenta menor error de exactitud? 2. Para qu valor de el voltmetro presenta menor error de precisin?

3. Realice la grfica de la curva de calibracin; tome al Valor patrn ( ) como

la variable independiente. 4. Obtenga la ecuacin de la curva de calibracin indicando las unidades de

cada trmino en el SI. 5. Cul es la sensibilidad del voltmetro y su error de calibracin, cada uno con

sus unidades correspondientes en el SI?

6. Conclusiones

7. Bibliografa

Gutirrez Aranzeta, Carlos; Introduccin a la metodologa experimental, 2da. Edicin, Mxico, Limusa Noriega, 2006. Young H. D. y Freedman R. A.; Sears y Zemansky FISICA UNIVERSITARIA CON FSICA MODERNA Vol. 2; Editorial Pearson; 13 edicin; Mxico, 2014.


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8. Expresiones matemticas

100V

VVEE%

P

LP

y % E = 100 - % EE ;

100

V

VVEP%

L

aL

y % P = 100 - % EP

Desviacin estndar de una muestra de n mediciones de una misma cantidad fsica:

1/2

2

1

1

n

L j

j

V

V V

Sn

y VmV

SV S

n

; [V] u = [S mV ] u = [S V] u

Expresiones del mtodo de la suma de los cuadrados mnimos:

m = 2

i

2

i

iiii

)x(xn

)y)(x(yxn

b =

2

i

2

i

iii

2

ii

)x(xn

)x)(yx()x)(y(


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Modelos grficos

VVL

m m [V] + b [V] b

*

*

%EE %EP

[V]

* *

*

* *

* [V]

VVL

[V]


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Prctica 2 Caracterizacin de un dinammetro


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1 Peso de las masas patrn Al manipular las masas inadecuadamente se pueden caer y causar daos.


a) Determinar las caractersticas estticas del dinammetro empleado. b) Determinar el error de exactitud y la exactitud del dinammetro para cada

valor patrn. c) Determinar el error de precisin y la precisin del dinammetro para cada

valor patrn. d) Determinar la incertidumbre para las mediciones de cada valor patrn

utilizado. e) Determinar los valores ms representativos para los valores patrones

utilizados incluyendo sus incertidumbres. f) Obtener los modelos grfico y matemtico de la curva de calibracin. g) Identificar el significado fsico de la pendiente y el de la ordenada al origen de

los modelos de la curva de calibracin.


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3. Material y equipo dinammetro de 0 a 10 [N] dos masas de 50 [g] masa de 100 [g] masa de 200 [g] base de soporte universal varilla de 70 [cm] varilla de 20 [cm] tornillo de sujecin


Actividad 1 Analizar el dinammetro por caracterizar, registrar marca y modelo, e identificar sus caractersticas estticas: rango, resolucin y legibilidad. Llenar la siguiente tabla.

Marca Modelo Rango Resolucin Legibilidad

Actividad 2 Verificar el ajuste a cero del dinammetro, ste puede realizarse al aflojar la tuerca superior y girar el gancho del soporte hasta que la parte media del indicador marque cero, una vez hecho sto apretar la tuerca superior para asegurar el ajuste a cero. Colocar el dinammetro en el soporte universal para realizar las mediciones, ver figura 1.


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Figura 1. Dispositivo experimental del dinammetro.

Actividad 3 Colgar en el dinammetro las masas patrones de manera sucesiva y registrar el peso de cada una; efectuar las mediciones en forma creciente y luego decreciente hasta completar las cinco columnas (W1, W2 W5) en la siguiente tabla. Recuerde que el peso WP = mP *g ; donde WP [N], mP [kg], g [m/s

2]


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Actividad 4 Completar la columna de pesos patrones (WP) aplicando la segunda ley de Newton (WP = mP x g) y el valor de la aceleracin gravitatoria local (g = 9.78 [m/s

2]).

mP [g] mP [kg] WP [N] WL1 [N] WL2 [N] WL3 [N] WL4 [N] WL5 [N] LW [N]

50

100

150

200

250

300

350

400


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Actividad 5 Llenar la siguiente tabla con los clculos necesarios.

WP [N]

LW

[N] %EE %E %EP %P

W [N]

LW + W

[N]

Nomenclatura:

valor patrn

valor ledo promedio

% EE porcentaje de error de exactitud % E porcentaje de exactitud % EP porcentaje de error de precisin % P porcentaje de precisin

V incertidumbre para las mediciones de cada valor patrn utilizado

V valor ms representativo con su incertidumbre


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5. Cuestionario 1. Indique para qu valor patrn se tuvo el mayor error de exactitud. 2. Indique para qu valor patrn se present el mayor error de precisin. 3. Realice el modelo grfico de la curva de calibracin. Indicando las unidades

de cada trmino en el SI. 4. Obtenga el modelo matemtico de la curva de calibracin. Indicando las

unidades de cada trmino en el SI. 5. Para cada trmino del modelo matemtico del inciso anterior indique si es

constante, variable independiente o variable dependiente y escriba su expresin dimensional en el SI.

6. Conclusiones

7. Bibliografa. Young H. D. y Freedman R. A.; Sears y Zemansky FISICA UNIVERSITARIA CON FSICA MODERNA Vol. 2; Editorial Pearson; 13 edicin; Mxico, 2014.

8. Anexo Expresiones matemticas necesarias WP = mP * gCDMX ; en la cual gCDMX = 9.78 [m/s

2]

100

V

VVEE%

P

LP

y % E = 100 % EE


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100

V

VVEP%

L

aL

y % P = 100 % EP

Desviacin estndar de una muestra de n mediciones de una misma cantidad fsica:

2/1

n

1i

2

iL

W1n

WW

S

y

n

SSW WmW

; [W] u = [S mw ] u = [S w] u

Expresiones del mtodo de la suma de los cuadrados mnimos cuadrados:

m = 2

i

2

i

iiii

)x(xn

)y)(x(yxn

b =

2

i

2

i

iii

2

ii

)x(xn

)x)(yx()x)(y(

Modelos grficos

WP [N]

*

*

%EE %EP

WP [N]

* *

*

* *

*


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NWL

m b

m WP [N] + b [N]

WP [N]

NWL


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Prctica 3 Propiedades de las sustancias


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1 Algunas sustancias usadas. Ligera toxicidad al contacto con ellas.

2 Vaso de precipitados. Si es manipulado inadecuadamente puede caer y romperse en fragmentos filosos.

3 Calibrador con vernier Tiene partes filosas y puntiagudas, por lo que debe manipularse con cuidado; dichas partes deben estar alejadas de la cara.


a) Determinar algunas propiedades de las sustancias en fase slida o lquida. b) Comprobar que el valor de una propiedad intensiva no cambia si se modifica

la cantidad de materia (masa) y verificar lo contrario para una propiedad extensiva.

c) Distinguir entre las cantidades fsicas, las de tipo vectorial y las de tipo

escalar.


balanza granataria de 0 a 610 [g] calibrador vernier vaso de precipitados de 50 [ml] tres muestras slidas de materiales diversos tres muestras lquidas de sustancias diversas flexmetro jeringa de 10 [ml]


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Actividad 1 Identificar las caractersticas estticas de la balanza proporcionada.

Rango Resolucin Legibilidad

Actividad 2 Medir la masa de cada muestra de sustancia, no olvidar la verificacin del ajuste a cero de la balanza, el cual se llevar a cabo colocando los jinetillos completamente a la izquierda de los brazos mviles (donde marquen cero) y girar el tornillo de ajuste a cero, que se encuentra en el lado izquierdo del punto de apoyo, hasta que las marcas de la aleta de freno y el freno magntico den la impresin de formar una lnea continua, ver figura 1.

Figura 1. Diagrama de medicin de muestras slidas y lquidas.


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Actividad 3 Medir las dimensiones de las muestras slidas que permitan determinar su volumen. En el caso de sustancias lquidas medir la masa total (recipiente y sustancia) y no olvidar restar la masa del recipiente. Para el aceite y la glicerina, los volmenes se encuentran especificados en los recipientes; para determinar la masa del agua utilice la jeringa como auxiliar en el llenado del vaso de precipitados. Llene la siguiente tabla.

sustancia fase m [kg] V [m3] W [N]

aceite

agua

glicerina

esponja

acero

madera

acrlico

vector o escalar

Intensiva o extensiva

Nota: * Escribir en la columna de fase: S si es slida o L si es lquida. * Escribir en la penltima fila si se trata de una cantidad fsica vectorial o escalar. * Escribir en la ltima fila una E si es una propiedad extensiva o I si es intensiva.


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Actividad 4 Llenar la siguiente tabla indicando si son propiedades intensivas o extensivas; as como si se trata de cantidades fsicas escalares o vectoriales.

[kg/m3]

[1]

[N/m3] v

[m3/kg]

Propiedad Intensiva o extensiva

Cantidad fsica vectorial o escalar

Actividad 5 Llenar la siguiente tabla con el empleo de las expresiones matemticas proporcionadas en el anexo.

Sustancia

[kg/m3]

[1]

[N/m3] v

[m3/kg]

aceite

agua

glicerina

esponja

acero

madera

acrlico


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donde para cada sustancia: m = masa W = peso V = volumen

= densidad

= densidad relativa v = volumen especfico

= peso especfico

5. Cuestionario

1. Anote tres propiedades extensivas y tres intensivas de las sustancias, justificando su respuesta.

2. Escriba tres cantidades fsicas de tipo escalar y tres de tipo vectorial,

explicando el por qu. 3. Menciones dos ejemplos de sustancias homogneas y dos heterogneas. 4. Cules de las sustancias empleadas son istropas y cules son no

istropas? 5. Si se vertieran volmenes iguales y de cada uno de los lquidos empleados,

en un recipiente cilndrico, indique en un esquema como quedaran colocados al alcanzar condiciones estables (en reposo).


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6. Conclusiones

7. Bibliografa Young H. D. y Freedman R. A.; Sears y Zemansky FISICA UNIVERSITARIA CON FSICA MODERNA Vol. 2; Editorial Pearson; 13 edicin; Mxico, 2014.

8. Anexo

Expresiones matemticas necesarias

gmW

;

2s

mk78.9g

;

V

m ;

agua

x

x

;

V

W

y

1v


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Prctica 4 Gradiente de presin


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1 Cristalera. Al ser manipulada inadecuadamente puede romperse en fragmentos afilados.


a) Obtener los modelos grfico y matemtico de la presin manomtrica Pman en funcin de la profundidad y en un fluido homogneo en reposo.

b) Obtener, a partir del modelo matemtico anterior, la densidad y la magnitud

del peso especfico del fluido empleado.

c) Explicar la relacin que existe entre presiones absoluta, relativa y atmosfrica.

d) Verificar la validez del gradiente de presin y la naturaleza intensiva de la propiedad llamada presin.


manmetro diferencial recipiente de base cuadrada flexmetro vaso de precipitados de 600 [ml]


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Actividad 1 Identificar las caractersticas estticas del manmetro diferencial.

Rango Resolucin Legibilidad

Actividad 2 Verificar que en el recipiente de base cuadrada con un lquido desconocido se alcancen

15 cm de profundidad como mnimo. Ajustar a cero el manmetro diferencial desplazando la escala mvil; si es necesario, agregar lquido manomtrico. Introducir el sensor del manmetro (campana de inmersin) dejando entrar un poco del lquido desconocido para que el menisco (en este caso cncavo hacia el aire) se pueda observar claramente, ya que en su base se tomar la lectura de la presin manomtrica a la profundidad deseada. ( ).


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Actividad 3 Registrar en la siguiente tabla la presin manomtrica en el lquido desconocido para los valores crecientes de profundidad; despus, disminuir gradualmente la profundidad y medir la presin correspondiente; continuar as hasta completar los conjuntos de mediciones necesarios (cinco en este caso).

y [m] P1 [Pa] P2 [Pa] P3 [Pa] P4 [Pa] P5 [Pa] manP [Pa]

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12


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Actividad 4 Localizar los puntos experimentales del modelo grfico de la presin manomtrica en funcin de la profundidad en el lquido desconocido en reposo.

Grfica 1. Presin manomtrica en funcin de la profundidad.


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Actividad 5 Obtener el modelo matemtico de la presin manomtrica en funcin de la profundidad en el lquido bajo estudio. Trazar en la grfica de la actividad anterior la recta obtenida en el modelo matemtico.

Actividad 6 Del modelo matemtico obtenido, obtener el valor de la magnitud del peso especfico y de la densidad del fluido, con sus respectivas unidades en el SI.

= ________________________ [ ] = ________________________ [ ]

Actividad 7 Con la ayuda de las explicaciones del profesor y de la grfica siguiente, identifique una presin manomtrica y una presin vacuomtrica; relacinelas con la presin atmosfrica para obtener las presiones absolutas de la manomtrica y de la vacuomtrica. Considere que la presin atmosfrica a nivel del mar es de 101 325 [Pa] y en la Ciudad de Mxico de 77 400 [Pa] aproximadamente.

Figura 2. Presin manomtrica, presin vacuomtrica y presin absoluta.


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5. Cuestionario

1. Cul es el modelo matemtico de la presin manomtrica Pman en funcin de la profundidad y obtenido?

2. Cul es el valor de la magnitud del peso especfico

y el de la densidad del lquido empleado? Identifique de qu sustancia se trata.

3. Escriba la ecuacin que relaciona a las presiones absoluta, manomtrica y

atmosfrica, en un punto dentro de un fluido en reposo. 4. Escriba la ecuacin que relaciona a las presiones absoluta, vacuomtrica y

atmosfrica, en un punto dentro de un fluido en reposo. 5. Existe alguna relacin entre el modelo matemtico obtenido y la ecuacin

del gradiente de presin? Justifique su respuesta. 6. Es la presin una propiedad intensiva? Justifique su respuesta.

6. Conclusiones


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8. Anexo Expresiones matemticas necesarias

PA PB = | g

| (ZA ZB); Patm = Hg | g

| barh ;

3Hg m

kg600,13 ;

| g

| = 9.78

2s

m

Modelos grficos


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y com

b

Pabs [Pa]

Pman[Pa]= m Pabmym

Pa

Pabs [Pa]= m Pa'bmy

m

Pa

y [m]

Pman [Pa]

m

y [m]

m = yd

Pd man

m = yd

Pd abs

m b


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Prctica 5 Algunas propiedades trmicas del agua


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1 La resistencia de inmersin debe estar cubierta de agua.

Si la resistencia se energiza fuera del agua, explota.

2 No agitar el termmetro de inmersin. La manipulacin inapropiada puede romper el instrumento, lo que genera fragmentos punzo-cortantes e intoxicacin.


4 Parrilla elctrica. Si no se usa con precaucin, puede provocar quemaduras severas.


a) Obtener los modelos grficos de la energa en forma de calor suministrado

(Qsum) en funcin del incremento de temperatura (T), y de la energa en forma de calor suministrado (Qsum) en funcin de la temperatura (T) de la sustancia empleada.

b) Obtener los modelos matemticos de la energa en forma de calor suministrado (Qsum) a una sustancia en funcin de la temperatura T y del

incremento de temperatura T que la sustancia experimenta.

c) Calcular la capacidad trmica y la capacidad trmica especfica de la masa de agua empleada.

d) Determinar la temperatura de ebullicin del agua en esta ciudad y comprobar que, a presin constante, la temperatura de la sustancia permanece constante durante los cambios de fase.


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3. Material, equipo y sustancias

parrilla elctrica calormetro con tapa, agitador y resistencia de inmersin

vaso de precipitados de 600 m fuente de poder digital de 0 a 30 [V] DC y de 0 a 5 [A] dos cables de conexin de 1 [m] termmetro de inmersin tapn de hule cronmetro digital balanza de brazo triple

jeringa de 10 m 150 [g] de agua


Actividad 1

Registrar las caractersticas estticas de los instrumentos indicados.

Instrumento Rango Resolucin Legibilidad

termmetro de inmersin

balanza


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Actividad 2 Medir una masa de 150 [g] de agua lquida, suficiente para cubrir totalmente la resistencia de inmersin integrada a la tapa del calormetro, la cual no debe energizarse si est fuera del lquido cuya temperatura se desea elevar. No olvide ajustar a cero la balanza. masa de agua lquida: ________________ [kg]

Actividad 3 Armar el dispositivo experimental mostrado en la figura 1, sin encender an la fuente de poder, verificar que los dos resistores que forman la resistencia de inmersin estn conectados en serie; es decir uno a continuacin del otro.



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Actividad 4 Verificar que las dos perillas de la fuente de poder estn totalmente giradas en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj. Con giros pequeos de las dos perillas de la fuente hacer circular una corriente de 2.5 [A], abrir el circuito en este momento sin mover la posicin de las perillas. intensidad de corriente elctrica, I = ____________________ [A] diferencia de potencial elctrica, Vab = ____________________ [V] potencia elctrica, P = Vab * I = _________________________ [W]

Actividad 5 Agitar ligeramente el contenido del calormetro para que las propiedades del lquido sean homogneas; medir y registrar la temperatura inicial del lquido y tener listo el

cronmetro para medir el lapso t que ha permanecido energizado el circuito de la fuente y la resistencia de inmersin.

temperatura inicial del lquido, Tinicial = ____________ [C] = ____________ [ K ]

Actividad 6

En el instante t0 = 0 segundos: cerrar el circuito, atender al termmetro y poner en operacin el cronmetro para registrar el lapso t [s] que ha transcurrido desde que se

cerr el circuito y en el que se alcanz en el lquido un incremento T = 2 [C] = 2 [K] en su temperatura. Agitar suavemente el contenido del calormetro durante la realizacin del experimento. No detener el cronmetro cuyo funcionamiento debe ser continuo como el de la fuente de poder


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Actividad 7 Proceder de manera semejante, cuando el lquido en el calormetro ha alcanzado un

nuevo incremento de T = 2 [C] = 2 [K]. Observe que las lecturas del voltmetro y del ampermetro permanecen constantes durante la realizacin del experimento. Con las mediciones realizadas, llene la tabla siguiente.

T [C] T [C]

t

Lectura del

cronmetro

t [s] Vab [V] I [A] P [W]

T0 = Tinicial 0 0 0 0 0 0

T1 = T0 + 2 2 2.5

T2 = T1 + 2 4 2.5

T3 = T2 + 2 6 2.5

T4 = T3 + 2 8 2.5

T5 = T4 + 2 10 2.5


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Actividad 8

Completar el llenado de la siguiente tabla, calculando la energa proporcionada Qsum.[J].

T [C] T [C] Qsum = P [J/s] *t [s]

T0 = 0

T1 = 2

T2 = 4

T3 = 6

T4 = 8

T5 = 10

Actividad 9

Trazar el modelo grfico y obtener el modelo matemtico Qsum [J] = f (T) [C] con la informacin de la tabla anterior y el mtodo del mnimo de la suma de los cuadrados. Sobre el modelo grfico trace la mejor recta obtenida con el modelo matemtico.


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valor de la pendiente = _________ [ ] valor de la ordenada = _________ [ ]

Actividad 10 Del modelo matemtico obtenido en la actividad anterior, obtener la capacidad trmica (C ) y la capacidad trmica especfica ( c ) con sus respectivas unidades en el SI, de la masa de agua empleada. Para lo anterior, se sugiere comparar el modelo matemtico

con el modelo terico


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C = ________________________ [ ] c = ________________________ [ ]

Actividad 11

Trazar el modelo grfico y obtener el modelo matemtico Qsum [J] = f (T) [C] con las columnas de datos correspondientes de la tabla anterior y el mtodo del mnimo de la suma de los cuadrados. Sobre el modelo grfico trace la mejor recta obtenida con el modelo matemtico.

valor de la pendiente = _________ [ ] valor de la ordenada = _________ [ ]


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Actividad 12 Del modelo matemtico obtenido en la actividad anterior, obtener la capacidad trmica (C ) y la capacidad trmica especfica ( c ) con sus respectivas unidades en el SI, de la masa de agua empleada. Para lo anterior, se sugiere comparar el modelo matemtico

con el modelo terico T0 C = ________________________ [ ]

c = _________________________ [ ]

Actividad 13 Colocar 50 gramos de agua lquida en el vaso de precipitados, eleve su temperatura empleando la parrilla y deje que el agua alcance su punto de ebullicin en esta ciudad. Mida el valor del punto de ebullicin del agua con el termmetro de inmersin proporcionado. temperatura de ebullicin = __________ [C] temperatura de ebullicin = __________ [ K ]


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5. Cuestionario

1. Escriba el modelo matemtico del calor suministrado Qsum [J] = f (T) [C] para la masa de agua utilizada, indicando las unidades en el SI para cada trmino.

2. Escriba el modelo matemtico del calor suministrado Qsum [J] = f (T) [C] para la masa de agua utilizada, indicando las unidades en el SI para cada trmino.

3. Cmo son las pendientes m y m entre s y cunto valen? y las ordenadas

al origen b y b? de los modelos matemticos obtenidos. Justifique sus respuestas.

4. Determinar el porcentaje de exactitud de la capacidad trmica especfica del

agua lquida obtenida experimentalmente, si se sabe que el valor patrn es

4186 [J/kg C] 5. Cul es la temperatura de ebullicin del agua a la presin atmosfrica de la

Ciudad de Mxico? Explque su respuesta comparndola con la temperatura de ebullicin a nivel del mar.

6. Conclusiones


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7. Bibliografa

Young H. D. y Freedman R. A.; Sears y Zemansky FISICA UNIVERSITARIA CON FSICA MODERNA Vol. 2; Editorial Pearson; 13 edicin; Mxico, 2014.

8. Anexo


T0)

T0

m c = C donde c = capacidad trmica especfica C = capacidad trmica o capacidad calorfica


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Prctica 6 Leyes de la Termodinmica


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1 Parrilla elctrica. Si no se usa con precaucin, puede provocar quemaduras severas.

2 No agitar el termmetro de inmersin. La manipulacin inapropiada puede romper el instrumento, lo que genera fragmentos punzo-cortantes e intoxicacin.



a) Verificar el cumplimiento de la ley cero de la Termodinmica.

b) Determinar en forma experimental la capacidad trmica especfica de un metal (cmetal) mediante la aplicacin de las leyes cero y primera de la Termodinmica.

c) Constatar la validez de la segunda ley de la Termodinmica a travs de la observacin de la direccin de los flujos de energa en forma de calor.

d) Obtener el porcentaje de exactitud del valor experimental de la capacidad trmica especfica del metal cmetal con respecto a un valor patrn de tablas de propiedades.


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3. Material y equipo calormetro de unicel con tapa nicamente

vaso de precipitados de 600 m

vaso de precipitados de 50 m balanza con balanzn parrilla elctrica con agitador

80 g de agua muestra de metal termmetro de inmersin

jeringa de 10 m


Actividad 1 Registrar las caractersticas estticas de los instrumentos indicados.


balanza con balanzn

termmetro de inmersin

Actividad 2 Medir la masa del metal disponible (mmetal) y determinar su temperatura inicial (Ti metal) la cual se sugiere sea la ambiente. Para esta medicin sumergir las monedas en un vaso de precipitados con agua y un minuto despus medir la temperatura; sta ser la temperatura inicial del metal. Eliminar el agua y secar perfectamente las muestras del metal.

masa del metal (mmetal): ____ [ ] temperatura inicial del metal (Ti metal): ____ [ ]


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Actividad 3 Medir una masa de 80 gramos de agua lquida y con la ayuda de la parrilla elevar su temperatura, vigilar la homogeneidad de esta propiedad agitando ligeramente el

contenido del recipiente hasta alcanzar los 40 C (Ti agua); retirar de inmediato el recipiente de la parrilla, verter el agua al calormetro y verificar la temperatura inicial del agua. Colocar con mucha precaucin la muestra de metal en el calormetro y taparlo perfectamente, como se muestra en la figura; agitar suavemente el calormetro con las manos para conseguir homogeneidad.


masa del agua (magua ): ____ [ ] temperatura inicial agua (Ti agua): ____ [ ]


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Actividad 4 Medir la temperatura de equilibrio de la mezcla (Teq) aproximadamente un minuto despus de haberla hecho y registrar ese dato. temperatura de equilibrio de la mezcla (Teq): ____ [ ]

Actividad 5

Explicar la ley cero y primera ley de la Termodinmica para sistemas termodinmicos estacionarios y aislados.

Actividad 6

Aplicar la primera ley de la Termodinmica para determinar la capacidad trmica especfica del metal empleado. capacidad trmica especfica del metal (cmetal): ____ [ ]


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Actividad 7

Con las mediciones obtenidas durante el experimento, llenar la siguiente tabla.

magua

kg

mmetal

kg

cagua

J/(kgK)

Ti agua

C

Ti metal

C

Teq C

cmetal

J/(kgK)

0.080 4 186

Actividad 8 Obtener el porcentaje de exactitud del valor experimental de la capacidad trmica especfica del metal cmetal considerando que el valor patrn del metal utilizado es 450

J/(kgK). % de exactitud (%E) = _____________ Nota: Si su porcentaje de error de exactitud result mayor que 10%, se recomienda repetir el experimento.


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5. Cuestionario

1. Qu expresa la ley cero de la Termodinmica y cmo se puede verificar su cumplimiento?

2. Cul fue el valor de la capacidad trmica especfica del metal empleado? 3. Qu expresa la primera ley de la Termodinmica y cmo se puede verificar

su cumplimiento? 4. Qu expresa la segunda ley de la Termodinmica y cmo se puede verificar

su cumplimiento? 5. Cul fue el porcentaje de exactitud en el valor experimental de cmetal?

6. Conclusiones


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8. Anexo


,

donde:

Para un sistema estacionario

Para un sistema aislado

en el interior del calormetro. Con la conclusin anterior:

Qagua + Qmetal = 0,

considerando que: Qvaso 0, que Qtapa 0 y Qtermmetro 0. Por lo tanto:

magua cagua ( Teq Ti agua ) + mmetal cmetal ( Teq Ti metal ) = 0

que se puede emplear para calcular cmetal en cada experimento.


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Prctica 7 Movimiento ondulatorio


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1 Base universal Mal colocada, puede caerse de la mesa y provocar una lesin.

2 Impulsor de ondas Se puede daar si no se quita el seguro (unlock) antes de que est en funcionamiento.


a) Identificar y determinar el periodo (), la amplitud (A), la frecuencia (f) y la

longitud de onda () en una onda armnica.

b) Conocer y observar las ondas estacionarias y los diferentes modos de vibracin.

c) Obtener los modelos grficos de la longitud de onda () en funcin de la

frecuencia (f) y de la longitud de onda () en funcin del periodo ().

d) Obtener el modelo matemtico de la longitud de onda () en funcin del

periodo ( ) en el movimiento ondulatorio observado.

e) Determinar la rapidez de propagacin (v), de las ondas en una cuerda con una tensin (F) aplicada.


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generador de seales dos cables banana-banana de 1 [m] de longitud dos bases universales dos varillas de 1 [m] varilla de 1.5 [m] varilla de 20 [cm] balanza granataria impulsor de ondas tres tornillos de sujecin cuerda de longitud 2 [m] masa de 100 [g] dos masas de 50 [g] flexmetro

Equipo para el profesor generador de seales lmpara de luz estroboscpica osciloscopio conector BNC dos cables largos


Actividad 1 Registrar las caractersticas estticas de los siguientes instrumentos de medicin.


balanza granataria

flexmetro


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Actividad 2 Armar el dispositivo experimental mostrado en la figura 1, sin encender el generador de seales; quitar el seguro que impide el movimiento del impulsor de ondas (deslizando la palanca a la posicin que dice unlock).


Actividad 3

Colocar la varilla de 1.5 m a una altura mayor que 40 cm de la mesa y se sugiere que

la longitud mostrada sea de un metro, con lo cual la distancia entre las varillas verticales se podr fijar en aproximadamente 1.1 m. Medir la masa de la cuerda as como su longitud. masa de la cuerda: ___________ [ ] longitud de la cuerda: ___________ [ ]


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Actividad 4 Sujetar la cuerda en la varilla ms cercana al impulsor de ondas y pasarla a travs de la ranura de este ltimo. En la otra varilla vertical colocar perpendicularmente la barra de

20 cm que se emplear como polea, dejando descansar la cuerda sobre ella. Colgar las masas proporcionadas y el valor total de stas ser la masa suspendida (msuspendida), la cual originar la tensin (F) en la cuerda. masa suspendida (msuspendida): ______ [ ] tensin en la cuerda (F): ______ [ ]

Actividad 5 Energizar el generador de seales cuidando que la amplitud de la seal sea mnima y

disminuir el valor de su frecuencia hasta 2 Hz. Con giros suaves aumentar la frecuencia de la seal que recibe el impulsor de ondas, hasta que en la cuerda se produzca el modo de vibracin n = 1, de ondas estacionarias,

que se reconoce por formarse un solo lbulo de longitud (media onda) entre los dos nodos, siendo stos los puntos inmviles de la cuerda, ver figura 2. Aumentar la amplitud de la seal del generador para observar mejor el modo de vibracin de la cuerda y registrar el valor de la frecuencia en la tabla de la actividad 6.

Figura 2. Modos de vibracin (n) de ondas estacionarias.


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Actividad 6 Aumentar lenta y suavemente la frecuencia hasta encontrar el segundo modo de vibracin (n = 2), registrar el valor de la frecuencia y la distancia (d) entre dos nodos consecutivos. Repetir el procedimiento hasta el modo de vibracin 6. Determine el valor

de m, observando que =2d. A partir de los valores de frecuencia registrados determine el perodo para cada modo de vibracin.

modo de vibracin (n)

f

Hz

d

m

m

s

1

2

3

4

5

6

Actividad 7

Dibujar los modelos grficos de la longitud de onda en funcin de la frecuencia: = f (f) y

de la longitud de onda en funcin del perodo: = f ()

Actividad 8

Obtener el modelo matemtico de la longitud de onda en funcin del perodo: = f () del movimiento ondulatorio observado.


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Actividad 9 (para el profesor)

Conectar la salida del generador de seales (bornes rojo y negro) a uno de los canales de medicin del osciloscopio (figura 3).

Observar las formas de ondas disponibles en el generador y efectuar las mediciones del

periodo () y amplitud (A) de una onda sinusoidal de frecuencia 1000 Hz.

Figura 3. Generador de seales y osciloscopio.

perodo (): ___________ [ ] amplitud (A): ___________ [ ]

Variar la amplitud de la onda en el generador, observar este efecto en la pantalla y medir la amplitud mnima y mxima que podemos obtener del generador de seales.

amplitud mxima (Amxima): _______ [ ] amplitud mnima (Amnima): ________ [ ]


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5. Cuestionario

1. Qu tipo de curva resulta la grfica longitud de onda () en funcin de la frecuencia (f)?

2. Cul es el modelo matemtico obtenido de la longitud de onda () en funcin

del perodo ()? 3. Cul es la rapidez de propagacin experimental de las ondas, con base en el

modelo del inciso anterior? 4. Cul es el valor terico de la rapidez de propagacin de las ondas, de

acuerdo con la tensin en la cuerda y su densidad lineal?

5. Cul es la exactitud del valor experimental de la rapidez de propagacin de las ondas si se toma al valor de la pregunta anterior como valor patrn?

6. Conclusiones


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7. Bibliografa

Young H. D. y Freedman R. A.; Sears y Zemansky FISICA UNIVERSITARIA CON FSICA MODERNA Vol. 2; Editorial Pearson; 13 edicin; Mxico, 2014.

8. Anexo Expresiones matemticas necesarias

f =

1 ; =

n

2 ; F

= ms g

; =

cuerda

cuerdam

; v =

F ;

v = f ; g

= 9.78 m/s2 = densidad lineal de la cuerda;

Modelos

m = m m/s s + bm, para 0 m =

d

d

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