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PRÁCTICAS DE FÍSICA 4º ESO
Prof. Benigno Palacios
INDICE
PÁGINA
0.
Recomendaciones para la elaboración de informes.
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1.
Magnitudes en Física y Química. Calculo de errores.
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2.
Estudio del movimiento rectilíneo uniforme.
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3.
Estudio del movimiento rectilíneo uniformemente acelerado.
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4.
Calibrado de un dinamómetro.
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LA FÍSICA Y LA QUÍMICA
Con la expansión que han tenido en los últimos decenios estas dos Ciencias, cada vez resulta más difícil establecer una diferencia esencial entre fenómenos físicos y fenómenos químicos; esta dificultad desaparece con la Química-Física, que estudia aquellos fenómenos que están relacionados con las dos ciencias, no solo íntimamente unidas entre sí, sino que con frecuencia llegan a confundirse una con otra.
La Física se ocupa del estudio de los cuerpos, sus leyes y sus propiedades mientras no cambie su composición; a la Química se le reserva el estudio de las leyes y propiedades de los cuerpos que dependen de la naturaleza de éstos y las variaciones o fenómenos con ellos relacionados.
LA FÍSICA Y LA QUÍMICA, CIENCIAS EXPERIMENTALES
La Física y la Química son Ciencias experimentales porque su estudio y contenido abarca el doble aspecto de los hechos y las teorías, de la observación y el razonamiento.
Este doble aspecto ha sido expresado por el físico Wetphal cuando dice que como el Dios Jano de los romanos, la Física y la Química tienen dos caras: una, hacia la naturaleza, intentando descubrir sus principios; otra, hacia la experimentación y la técnica, tratando de aplicar los conocimientos al progreso y desarrollo de la vida humana.
Por ello, hay objetivos que nunca podrían alcanzarse en el aula y necesitan del marco del laboratorio, donde se aprende observando y los conocimientos se reciben de primera fuente.
En el laboratorio es fundamental que desarrolles al máximo tu capacidad de observación, parte imprescindible del método científico. Para sacar el máximo provecho a las prácticas, lee atentamente el guión, repasa los conocimientos teóricos que precisa cada experiencia y trabaja en tu cuaderno anotando todo lo que observes y deduzcas, respondiendo también a las cuestiones que se planteen. Tu cuaderno debe ser un Diario de laboratorio en el que relates los procedimientos empleados, así como los resultados obtenidos, con el fin de poder contrastarlos con otros experimentos o poder repetir la experiencia.
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ADVERTENCIAS GENERALES Y NORMAS DE SEGURIDAD
Recuerda siempre que el laboratorio es un lugar de trabajo serio.
Antes de comenzar la práctica asegúrate de haber comprendido
exactamente lo que debes hacer. Pregunta cualquier duda.
Sobre las mesas sólo debe haber el material a utilizar.
Maneja los reactivos, los aparatos y, en general, todo el material con
cuidado y precaución. Evita cualquier imprudencia que pueda acarrear
daños a ti o a tus compañeros.
No tocar con las manos ningún compuesto químico. No manipular ningún
aparato eléctrico. Encender el mechero Bunsen siempre en presencia del
profesor.
Grifos y mecheros que no se estén usando deben permanecer cerrados.
Cuidado al coger objetos calientes. Recuerda que el vidrio caliente tiene el
mismo aspecto que el frío.
Mantener siempre limpios mesa y aparatos. Si se vierte algo, limpiar
inmediatamente con un trapo húmedo.
Frascos de reactivos: no introducir objetos en ellos, sacar solo la cantidad
necesaria, no devolver nunca el reactivo sobrante a la botella. Manejar con
precaución.
Calentamiento de tubos de ensayo: se hace pasar la llama dando “pasadas”
sobre el lateral del tubo de ensayo que estará ligeramente inclinado. Ten
cuidado de no orientar la boca del tubo a tus ojos o hacia algún
compañero.
Al abrir un frasco que contenga productos inflamables asegúrate de que no
hay llamas próximas.
Al finalizar la práctica comprueba que todo el material queda limpio y en
su sitio. Desconecta los aparatos eléctricos y vigila que los desagües no
hayan quedado obstruidos.
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PRÁCTICA 0
Recomendaciones para la elaboración de informes
Una vez realizadas las experiencias, la persona que las ha llevado a cabo debe presentar un informe del trabajo realizado y de las conclusiones obtenidas, según las siguientes normas:
1. Debe identificarse la persona que presenta el informe. Se incluirá también la fecha de realización de la experiencia. Si se ha invertido más de un día, conviene indicar la fecha de comienzo y de terminación del trabajo.
2. Es aconsejable tener un cuaderno de trabajo personal, independientemente de que el trabajo se realice en equipo. En este cuaderno deben anotarse todos los datos referidos a la experiencia, a medida que estos se van obteniendo.
3. No conviene dejar nada pendiente de anotar aunque la actividad se tenga que interrumpir; no es aconsejable confiarse en la memoria.
4. Con independencia del orden en que se van obteniendo los datos, éstos deberán presentarse ordenados por bloques lógicos.
5. Siempre que sea posible, los datos se presentarán en una tabla y en una gráfica, lo que permitirá una rápida visión de los factores que afectan a los fenómenos estudiados.
6. El informe debe incluir un apartado en el que se describa brevemente, pero sin omitir los detalles importantes, todos los pasos seguidos en la realización de la experiencia. Y si se cree necesario un diagrama de los instrumentos empleados y su montaje.
7. Cuando se utiliza una técnica nueva, conviene detenerse en su descripción.
8. Deben incluirse todas las condiciones que puedan afectar al fenómeno estudiado y que se puedan conocer (temperatura, presión atmosférica, humedad, iluminación, etc.).
9. Las conclusiones deben presentarse en lugar visible y serán claras y concisas.
10.Cuando sea posible, conviene repetir las experiencias para obtener más datos; en este caso se calculará el valor medio.
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12.Conviene incluir un apartado en el que se reflejará la opinión personal: si se han aclarado conceptos, la facilidad o la dificultad en la realización del trabajo, las propuestas para mejorar las condiciones operatorias y obtener mejores resultados, etc.
Por tanto el informe debe responder al siguiente esquema general:
1. Título de la experiencia realizada.
2. Objetivos que se persiguen.
3. Introducción. Consiste en una introducción teórica referente a la experiencia a realizar.
4. Una relación con el material necesario.
5. Una descripción breve del procedimiento seguido junto con un diagrama de los instrumentos empleados y su montaje.
6. Resultados experimentales obtenidos con un encabezado para identificar cada parte de los datos tomados así como cada cálculo. El método usado para cada cálculo y las unidades de todos los valores numéricos. Se deber usar el número apropiado de cifras significativas.
7. Interpretación de los resultados y conclusiones.
8. Opinión personal.
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PRÁCTICA 1
MAGNITUDES EN FÍSICA Y QUÍMICA. TIPOS DE MAGNITUDES. CÁLCULO DE ERRORES.
1. Objetivo:
Aprender a medir una magnitud y calcular el error cometido en la medida.
2. Material:
Balanza, reglas, probetas. Sólidos y líquidos.
3. Fundamento teórico:
a. Definiciones
i. MAGNITUD: Es una propiedad de la materia que se puede medir y cuya
medida se puede expresar mediante un número y una unidad.
ii. MEDIR UNA MAGNITUD: es compararla con un patrón o cantidad de la
misma magnitud previamente definida como unidad, determinando el número de veces que lo contiene.
iii. TIPOS DE MAGNITUDES: Las magnitudes físicas pueden ser escalares o vectoriales. También pueden clasificarse como fundamentales y derivadas. Las magnitudes derivadas son definidas en función de las fundamentales.
El sistema internacional (SI) reconoce 7 magnitudes fundamentales y 2 suplementarias y comprende 34 magnitudes derivadas.
Magnitud Fundamental Nombre de la unidad SI Símbolo de la unidad
Longitud metro m
Masa Kilogramo kg
Tiempo Segundo s
Intensidad de corriente Amperio A
Temperatura Kelvin K
Intensidad lumínica Candela cd
Cantidad de sustancia Mol mol
Magnitud suplementaria Nombre de la unidad SI Símbolo de la unidad
Ángulo plano radián rad
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Es muy importante conocer los múltiplos y submúltiplos de las unidades. Se conserva el nombre y el símbolo de la unidad precediéndolo del prefijo correspondiente. En las siguientes tablas se encuentran los nombres y símbolos de los prefijos.
MÚLTIPLOS
factor prefijo Símbolo
1024 yotta Y
1021 zetta Z
1018 exa E
1015 peta P
1012 tera T
109 giga G
106 mega M
103 kilo k
102 hecto h
101 deca da
SUBMÚLTIPLOS
Factor Prefijo Símbolo
10-1 deci d
10-2 centi c
10-3 mili m
10-6 micro µ
10-9 nano n
10-12 pico p
10-15 femto f
10-18 atto a
10-21 zepto z
10-24 yocto y
b. Cálculo de errores: Cualquier medida realizada experimentalmente está afectada por una cierta imprecisión, de manera que si se mide varias veces una misma magnitud se obtienen resultados distintos. Estas imprecisiones se llaman errores experimentales. Entre las causas de estos errores se encuentran el método empleado, el instrumento de medida, el propio experimentador, ect. En física y química hay que renunciar a obtener un valor exacto de una magnitud.
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(1)
Como el valor exacto de una medida no se conoce, en la práctica se realiza la medición varias veces, se desechan los resultados más desviados y se toma como valor exacto la media aritmética de todos los resultados.
Si al cronometrar los tiempos de caída de una bola de acero se han obtenido 8,4 s; 7,8 s; 8,2 s; 8,0 s, el tiempo que se toma como exacto
es:
Aplicando la ecuación (1) se obtiene el error absoluto para cada medida que es: 0,3 s; 0,3 s; 0,1 s y 0,1 s, respectivamente.
El error de dispersión (Ed) o error absoluto medio es la media aritmética
de los errores absolutos. En nuestro ejemplo:
Este valor se toma como error o incertidumbre de la medida realizada y debe acompañar al valor tomado como exacto. En nuestro ejemplo, el tiempo de caída de la bola sería: (8,1±0,2) s. Es decir, la medida real está comprendida entre 7,9 s y 8,3 s.
El error relativo (Er) es el cociente entre el error absoluto y la medida
considerada como exacta:
(2)
c. Tipos de errores experimentales:
i. Error de escala: es debido a la precisión finita de los instrumentos de medida. El límite máximo del error de escala es la mitad de la precisión del instrumento de medida.
Si, por ejemplo, se mide la longitud de un objeto con una regla milimetrada, se puede distinguir claramente entre 3 y 4 mm, pero no se puede distinguir entre 3,5 y 3,6 mm. La limitación de la medida proviene de la propia regla.
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ii. Error aleatorio: se debe a causas fortuitas y por tanto es difícilmente cuantificable. Se llaman indeterminados o aleatorios porque no se producen en una dirección particular. Este tipo de error se detecta realizando el experimento repetidas veces.
iii. Error sistemático: es causado por problemas en el funcionamiento del aparato experimental. Procede de causas que siempre actúan en la misma dirección, así que los resultados serán todos más altos o más bajos. Al tratarse de un error constante sólo puede detectarse mediante el uso de patrones.
Ejemplo: Si las medidas de longitud de una regla fueran erróneas y por cada mm en realidad midiera 1,3 mm, todas las longitudes tendrían siempre un error sistemático de 0,3 mm. Solo se podría detectar ese error midiendo la longitud de un patrón.
d. Precisión y exactitud: Son dos términos distintos:
Precisión: Se refiere a lo que concuerdan entre sí dos o más medidas. (Recuerda que el error relativo da una idea de la precisión de las medidas).
Exactitud: Nos indica lo que se aproximan unas medidas al valor verdadero.
En general, cuanto más precisa es una medida más exacta suele ser. Sin embargo esto no está garantizado.
CIFRAS SIGNIFICATIVAS: son dígitos representativos de una cantidad medida o calculada. Es decir, los valores de una magnitud se indican de forma tal que el error esté en la última cifra.
REDONDEO: un número aproximado debe expresarse con todas sus cifras significativas, redondeando su valor a este número de cifras. Reglas:
Si el primer dígito no significativo está entre cero y 4 se elimina.
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Si el primer dígito no significativo está entre 5 y 9 se elimina incrementando en una unidad el dígito anterior.
Ejemplo: se pretende redondear 89,87329 a tres cifras significativas. El resultado es: 89,9
4. Procedimiento:
a. Cálculo de la masa de una moneda.
Mediante la balanza electrónica y empleando un vidrio de reloj, se pesan varias monedas de un mismo valor.
Se elabora una tabla con todas las medidas, los errores absolutos, los errores relativos, el valor medio y el error de dispersión de la medida.
b. Expresión de un volumen teniendo en cuenta el error de escala del instrumento de medida.
Empleando buretas, probetas y vasos de precipitados, deducir el valor de un determinado volumen de un líquido a partir del error de la escala y en ausencia de otros errores.
c. Expresión de una longitud teniendo en cuenta el error de escala de la regla.
11 5. Cuestiones:
a. Expresa en unidades del SI las siguientes magnitudes:
v=1,44*105 km/h; F= 1,08*107 g cm/min2; W= 7,2*109 dg dm2/min2; d=6,3 mg/mL
V=25800 mm3 (Utiliza la notación científica para expresar el resultado).
b. Suponiendo que la masa exacta de un sólido es 50 g, clasifica los siguientes grupos de medidas de este sólido en:
i. “Poco exactas y poco precisas”.
ii. “Bastante precisas pero poco exactas”-
iii. “Bastante exactas y precisas”
Grupo 1: 43 g, 62 g y 54 g.
Grupo 2: 53 g, 49 g y 51 g.
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PRÁCTICA 2
ESTUDIO DEL MOVIMIENTO RECTILINEO UNIFORME. CINEMÁTICA (I)
1. OBJETIVOS:
1) Producir un movimiento rectilíneo y uniforme, y determinar la ecuación de su movimiento. Concretamente, estudiar la caída de una bola por una bureta llena de agua.
2) Indicar los elementos fundamentales para realizar una experiencia. Diseñarla y realizarla, y utilizar los datos para sacar conclusiones.
2. MATERIALES:
Una bureta larga, una tira de papel con marcas cada tres cm., un cronómetro y una bola de plastilina.
3. FUNDAMENTO TEÓRICO:
Un movimiento rectilíneo y uniforme es el que describe un móvil que se mueve en una trayectoria recta con velocidad constante. Para describirlo debemos conocer su trayectoria y su relación posición-tiempo (s-t).
4. PROCEDIMIENTO:
1) Como queremos que el movimiento lleve una trayectoria rectilínea, hemos elegido un camino recto (la forma de la bureta) que necesariamente debe seguir la bola cuando caiga dentro de ella.
2) Debemos Identificar las variables que tenemos que estudiar. Para determinar el movimiento debemos conocer la relación s-t; por tanto, las variables que vamos a estudiar son la posición y el tiempo.
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altura superior al origen; así, cuando la bola pasa por él y empezamos a contar, ya ha adquirido la velocidad constante que llevará en la caída (recuerda que este movimiento no es una caída libre).
4) Pegamos la tira de papel en la bureta. Sobre ella están marcadas las señales cada tres cm. Y también el punto tomado como origen. En esas señales es donde mediremos los tiempos transcurridos desde que comenzamos a medir.
5) Con un cronómetro, medimos los tiempos que tarda la bola en su caída y en pasar por las señales marcadas, y se completa la tabla de valores. Repite la medida 3 veces y tomas el valor medio como valor exacto.
Posiciones (cm) 0 3 6 9 12 15
Tiempo (s)
5. CUESTIONES:
1) Realiza la gráfica s-t del movimiento.
2) Calcula la ecuación de la recta obtenida, que es la ecuación del movimiento (en este caso, la relación s-t se ajusta a una recta y podemos deducir su ecuación).
3) Cambia el tamaño de la bola y repite la experiencia (solo hace falta que lo hagas una vez) ¿Cómo es el nuevo movimiento?
4) ¿Cuándo tendríamos que haber empezado a medir el tiempo para obtener
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PRÁCTICA 3
ESTUDIO DEL MOVIMIENTO RECTILINEO UNIFORMEMENTE ACELERADO. CINEMÁTICA (II).
1. OBJETIVO:
Calcular la aceleración de un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado en un ejemplo real: la tirolina.
2. MATERIAL:
Dos soportes, hilo de nailon, portapesas con varias pesas,
cronómetros, cinta métrica, rotulador indeleble.
3. FUNDAMENTO TEÓRICO:
Un cuerpo que varía su velocidad posee un movimiento acelerado. La aceleración es la variación de la velocidad en la unidad de tiempo y se mide, en el SI, en m/s2. La velocidad puede cambiar, bien porque solo cambie su módulo manteniendo la trayectoria rectilínea, o bien porque cambie su dirección, como por ejemplo, en el movimiento circular. Si la velocidad varía su módulo de forma constante, el movimiento se considera uniformemente acelerado.
Un ejemplo de movimiento uniformemente acelerado con trayectoria rectilínea es el descenso por una tirolina. Para su estudio conviene tomar una serie de datos y trabajar sobre ellos de modo que permitan emitir hipótesis contrastables. Este movimiento se ajusta a las siguientes ecuaciones:
4. PROCEDIMIENTO:
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b. Marca en el hilo, con la ayuda de la cinta métrica y el rotulador indeleble, intervalos regulares de 25 cm.
c. Uno de los miembros del grupo toma un cronómetro y se sitúa frente a una señal del hilo para observar el paso del portapesas.
d. Un miembro del grupo hará una señal para que se ponga en marcha el cronómetro. Para evitar errores de medida, se realizan 5 medidas de los tiempos en los que el portapesas pasa por cada señal y se utiliza como dato correcto el valor medio.
5. CUESTIONES:
1. Completa la siguiente tabla:
Distancia del inicio (m)
Medidas de tiempos (s) Velocidad en el intervalo
(m/s)
t1 t2 t3 t4 t5 tm
S1= S1/ tm=
S2= S2/ tm=
S3= S3/ tm=
S4= S4/ tm=
S5= S5/ tm=
S6= S6/ tm=
2. Realiza las gráficas s-t y v-t con los valores medios de cada punto y explica como son éstas.
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PRÁCTICA 4
CALIBRADO DE UN DINAMÓMETRO
1. OBJETIVOS:
1) Calibrar un muelle para transformarlo en un dinamómetro.
2) Aplicar los métodos propios de la ciencia en la obtención de datos, en la recogida y en su tratamiento.
2. MATERIALES:
Un soporte para colgar el muelle, una cinta métrica, un muelle, pesas y portapesas.
3. FUNDAMENTO TEÓRICO:
Un muelle es un cuerpo elástico que cumple la ley de Hooke, F=K∆L, mientras no se deforme demasiado.
El peso de una masa de 10 g, o sea, 0.01 kg, es P=0.01*9.8=0.98 N. Como la imprecisión del muelle impide precisar las centésimas, se supone que el peso de 10 g de masa es de 0.1 N.
4. PROCEDIMIENTO:
Sobre un muelle realizamos fuerzas conocidas para medir los alargamientos que producen. Las fuerzas más fáciles de evaluar son los pesos; colgamos pesos conocidos del muelle. Con ellos se pretende hallar la constante del muelle para saber la ecuación que lo calibra. Colgamos diferentes pesos para obtener la recta de proporcionalidad entre la fuerza y el alargamiento para reducir los errores cometidos en cada medida.
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2) Se van poniendo pesas de 30 en 30 g, o sea, de 0.3 en 0.3 N, y se miden las longitudes que va adquiriendo el muelle.
3) Se prepara una tabla como la siguiente para los datos:
4) Los datos obtenidos se representan en una gráfica, situando las fuerzas en ordenadas y los alargamientos en abscisas. Si el muelle es elástico, se obtiene una recta que pasa por el origen, por ser la fuerza y los alargamientos proporcionales. El tener varios puntos en la gráfica permite minimizar los errores buscando la recta que mejor se ajuste a todos los puntos y no solo a uno.
5) Así se obtiene la constante, K, del muelle, que es la pendiente de la recta. Conocida la constante, ya se tiene el muelle calibrado: F=K∆L. La fuerza hallada estará expresada en newtons cuando el alargamiento se mida en cm.
5. CUESTIONES:
1) Expresa la ecuación del muelle que has hallado.
2) Mide con un dinamómetro el peso de un estuche y, posteriormente, con un muelle ya calibrado. Comprueba que los valores coinciden dentro de la imprecisión del aparato.
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PRÁCTICA 5
COMPOSICIÓN DE FUERZAS
1. OBJETIVOS:
1) Explicar, usando criterios científicos, el equilibrio de fuerzas.
2) Comunicar conclusiones mediante los procedimientos adecuados de forma lógica y clara.
2. MATERIALES:
Tres dinamómetros de 5 N, anillas, papel de cuadrícula grande y papel adhesivo.
3. FUNDAMENTO TEÓRICO:
La resultante de fuerzas con el mismo punto de aplicación es su suma vectorial y está aplicada en el mismo punto. La fuerza equilibrante es igual a la resultante, pero de sentido contrario.
La resultante de dos fuerzas paralelas, aplicadas en los extremos de una barra rígida tiene la misma dirección que las fuerzas, y su punto de aplicación está en la barra. La equilibrante es igual a la resultante, pero de sentido contrario.
4. PROCEDIMIENTO:
1) Sujeta el papel cuadriculado sobre la mesa de trabajo con la cinta adhesiva. Sitúa sobre él las tres ventosas en una posición cualquiera.
2) Coloca cada dinamómetro fijado por un
extremo a una de las ventosas y por el otro a los extremos de los otros dos. Marca sobre el papel la confluencia de los tres dinamómetros, así como la dirección y el valor de la fuerza
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3) Comprueba que la fuerza equilibra la resultante
de las fuerzas y obtenida como la diagonal
del paralelogramo formado por ellas.
4) Repite la experiencia con una disposición en la que los dos dinamómetros queden perpendiculares entre sí. Comprueba que equilibra la resultante de las fuerzas y , y que su módulo es
.
Composición de fuerzas paralelas del mismo sentido.
1) Fija el papel de cuadricula grande sobre la mesa. Engancha un dinamómetro en cada extremo de la varilla horadada y otro en un punto intermedio de la misma.
2) Tensa los dinamómetros de modo que los tres queden paralelos a las líneas de la cuadrícula y, después, sujeta sus extremos libres a las ventosas.
3) Comprueba que la fuerza que equilibra la resultante de las fuerzas y es la suma de ambas y que la posición cumple la relación
.
5. CUESTIONES:
1) Diseña una experiencia para estudiar el valor y la dirección de la resultante de dos fuerzas paralelas de sentidos opuestos.
