UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL
NÚCLEO MARACAY
PRÁCTICAS DE FÍSICA IV
Rigidez Dieléctrica y Conductividad
El láser: reflexión y refracción
Relación de
e/m
La velocidad de la luz
El Estroboscopio
Descomposición de la luz
Medición de la velocidad del
Sonido
Ondas Mecánicas Amortiguadas
PRACTICA N°. 1
LA SEGURIDAD EN EL LABORATORIO
OBJETIVOS
1. Familiarizar al estudiante con la seguridad en un laboratorio donde se realicen experiencias con electricidad.
2. Familiarizar al estudiante con la seguridad en un laboratorio donde se realicen experiencias con materiales radiactivos.
3. Familiarizar al estudiante con la seguridad en un laboratorio donde se realicen experiencias con emisores de láser.
SEGURIDAD:
Cuando se trabaja en el laboratorio eléctrico o cuando se emplea equipo eléctrico, el seguir las precauciones adecuadas de seguridad es tan importante como el llevar a cabo mediciones exactas. Existen peligros potencialmente mortales en el ambiente del laboratorio eléctrico, y si no se siguen con cuidado procedimientos de seguridad, se puede ocasionar que el lector o algún compañero sea la victima de un accidente serio. El mejor modo de evitar accidentes es reconocer sus causas y apegarse con cuidado a los procedimientos de seguridad bien establecidos. Una completa concientización acerca de los peligros y las consecuencias posibles de los accidentes ayuda a desarrollar la motivación adecuada para seguir esos procedimientos.
Choque Eléctrico:
Cuando la corriente eléctrica pasa a través del cuerpo humano, el efecto que origina se llama choque eléctrico. El choque eléctrico se puede dar de forma accidental debido a un mal diseño del equipo, fallas eléctricas, error humano o a una combinación de circunstancias desafortunadas. El aspecto letal del choque eléctrico está en función de la cantidad de corriente que pasa a través del cuerpo y del tiempo. No depende tan solo del valor del voltaje aplicado. Puede ser tan mortal un choque de 100 V como uno de 1000 V.
La severidad de un choque eléctrico varia algo con la edad, sexo y condición física de la víctima. Pero, en general, el nivel de corriente necesario para matar a cualquier ser humano es notablemente bajo. Debido a ello, se debe tener siempre extremo cuidado para evitar choques eléctricos. El umbral de la percepción de la corriente en la mayoría de los humanos es de aproximadamente 1 mA. La sensación originada por este nivel de corriente adquiere la forma de un hormigueo o calentamiento desagradable en el punto de contacto. Las corrientes mayores de un 1 mA, pero menores que 5 mA se sienten con mayor intensidad general no producen dolor intenso, sin embargo, los niveles de corriente entre 1 y 5 mA pueden ser peligrosos debido a la reacción de sorpresa que producen. Por ejemplo, un choque con esa corriente puede provocar que uno salte contra un horno caliente o una pieza móvil de maquinaria o que se caiga de una escalera y por esas razones se lastime. (Nótese que 5 mA es la fuga de corriente máxima que se permite en los circuitos de aparatos domésticos, para poder pasar las especificaciones del Underwriters Laboratory: U.L.).
eléctrico que esté sosteniendo. Por esta razón, este nivel de corriente se llama en inglés de "no poder soltar". Si se mantiene esta corriente puede originar fatiga, colapso y aun la muerte.
Si el nivel de corriente que fluye por el cuerpo humano pasa de los 100 mA, comienza a interferir con el movimiento coordinado del corazón. Esta fibrilación evita que el corazón bombee la sangre y sobreviene la muerte en cuestión de minutos a menos que se detenga la fibrilación. A más de 300 mA, las contracciones musculares del corazón son tan intensas que se evita la fibrilación. Si se detiene el choque lo suficientemente rápido, es muy probable que el corazón reasuma un ritmo normal. En tales casos, puede haberse detenido la respiración, y se deberá aplicar respiración artificial. Si se proporcionan los primeros auxilios en forma adecuada, puede ser que el choque no sea fatal aunque puedan haberse ocasionado quemaduras intensas. (De hecho, se emplea un método de administrar grandes pulsos de corriente a corazones en fibrilación para regresarlos a su ritmo normal).
De la anterior descripción se puede ver que la corriente que pasa a través de la piel y después a través del cuerpo es más perjudicial (letal) en el rango de entre 100 y 300 mA. (Nótese que 100 mA es aproximadamente la décima parte de la corriente que pasa por un foco de 100 W). La tabla 1-1 resume los efectos de la corriente en el cuerpo humano si entra por una trayectoria a través de la piel.
Empleando métodos indirectos (p. ej., aplicar corrientes eléctricas a animales de laboratorio), los investigadores han determinado que la corriente puede ser fatal en uno de 20 casos si rebasa el valor calculado mediante la ecuación 1-1:
i(mA) = 116 / (√t (segundos) ) (3-1)
Efectos de un choque eléctrico de 60 hz. (corriente) en una persona promedio a través del cuerpo.
Intensidad de corriente – Contacto durante un segundo
EFECTO
1 mili ampere Umbral de percepción
5 mili amperes intensidad máxima de corriente aceptada como inofensiva
10-20 mili amperes Corriente a la que se puede soltar una persona electrificada, antes de una contracción muscular sostenida 50 mili amperes Dolor. Posible inconsciencia,
desva-necimiento, lesiones mecánicas. Continúan funciones del corazón y respiratorias.
100-300 mili amperes Comienza la fibrilación ventricular, pero el centro respiratorio
permanece intacto.
6 amperes Contracción sostenida del corazón seguida de ritmo cardiaco normal. Parálisis respiratoria temporal. Quemaduras si la densidad de corriente es alta.
El voltaje necesario para que fluya un nivel fatal de corriente a través del cuerpo humano puede variar. Su valor depende de la resistencia de la piel en el punto de contacto. La piel húmeda puede tener una resistencia tan baja como 1 kΩ mientras que la piel seca puede alcanzar hasta 500 kΩ. (Una vez que la corriente pasa hacia el cuerpo, la resistencia es mucho menor, debido a la conductividad de los fluidos corporales). Así, un potencial de 100 'V aplicado a la piel húmeda puede ser fatal. En efecto, aun 50 V bajo ciertas condiciones puede ser tan mortal como, 5000 V. Además, la resistencia de la piel decae rápidamente cuando la corriente pasa a través del punto de contacto, porque la corriente descompone la capa protectora y seca de la piel externa. Esto hace que sea importante romper el contacto con el conductor "vivo” tan pronto como sea posible. Debido a que el voltaje en el punto de contacto por lo general, permanece constante y como la resistencia disminuye la corriente puede crecer rápidamente hasta un nivel fatal.
Primeros Auxilios para el Choque Eléctrico
suficiente.
Si se ha detenido la respiración y el individuo está inconsciente, se debe comenzar a dar inmediatamente respiración artificial. No la suspenda hasta el momento en que una autoridad médica certifique que ya no se puede ayudar a la víctima. Esto puede tomar hasta 8 horas. Se deben ignorar los síntomas de rigor mortis y la falta de pulso detectable, porque a veces son los resultados del choque. No son necesariamente pruebas de que haya expirado la víctima.
Otros Peligros del Laboratorio Eléctrico
Al emplear herramientas motorizadas como p. Ej, taladros o sierras también se debe tener cuidado para evitar heridas graves. Las herramientas eléctricas no deben ser operadas, a menos que se tengan sus instrucciones de operación. Además, la ropa o el cable sueltos pueden quedar atrapados en maquinaria en movimiento y no deben usarse cuando se maneje este tipo de equipo. Por último, se debe usar siempre anteojos de seguridad o gafas al taladrar o cortar con herramientas eléctricas.
El cautín es otro instrumento que puede causar accidentes si se emplea en forma descuidada. Los cautines calientes desatendidos pueden quemar a personas desprevenidas o que pueden prender fuego a sus alrededores. Para evitar accidentes con cautines, colóquese siempre el cautín en su receptáculo cuando no se esté soldando. También, asegúrese de apagar los cautines después de usarlos.
protegerse contra las salpicaduras y contaminación de sustancias químicas. Cuando se tiran las sustancias corrosivas en los drenajes, se debe permitir que fluya un gran volumen de agua para diluir sus propiedades peligrosas. En caso de derrames de ácidos, enjuáguese el drenaje con bastantes cantidades de agua.
Normas de Seguridad
1. Nunca se debe trabajar solo. Asegúrese que haya otras personas en el laboratorio a quienes recurrir en caso de accidentes.
2. Úsense sólo instrumentos y herramientas eléctricas que tengan cables de corriente con tres conductores.
3. Antes de manipular conductores, desconéctese siempre la corriente.
4. Revísense todos los cables de corriente para ver si tienen señales de deterioro. Cámbiense o repárense los conductores las puntas de prueba dañadas.
5. Úsese siempre zapatos. Mantenga secos sus zapatos. Evítese estar parado sobre metales o concreto muy mojado. (Estas precauciones evitan que se convierta uno en un trayecto de baja impedancia a tierra.) No use artículos metálicos, anillos, etc.
6. Nunca se deben operar los instrumentos eléctricos con la piel mojada (la humedad disminuye la resistencia de la misma y permite que fluya mayor cantidad de corriente a través del cuerpo.
7. Nunca se deben dejar desatendidos los cautines calientes. Manténganse en depósitos o soportes cuando no se esté soldando.
8. Nunca se debe usar ropa suelta cuando se esté cerca de maquinaria. Úsese siempre gafas de seguridad al utilizar sustancias químicas o herramientas motorizadas.
circuito porque se terminará sujetando un conector "vivo" en la mano.
CONEXIONES A TIERRA
Importancia de las Conexiones a Tierra
Los conceptos de tierra y conexión a tierra son básicos e integrales, en el diseño de sistemas de mediciones eléctricas. Se deben comprender bien estos conceptos para la operación adecuada de esos sistemas. Sin embargo, con frecuencia no se definen con claridad las conexiones a tierra durante el entrenamiento del estudiante. Como resultado de esto, se puede terminar trabajando con sistemas de medición que no estén aterrizados correctamente. sí estas situaciones conducen a mediciones erróneas, también se puede desarrollar una confusión subsiguiente acerca de por qué existe el error.
Conexión a Tierra
LOS PROCEDIMIENTOS DEL LABORATORIO PARA EL
MANEJO DE MATERIAL RADIOACTIVO
1. Para prevenir contaminación accidental por materiales radiactivos en el organismo, deben mantenerse normas de altas limpieza y el asistente de laboratorio junto con el profesor deben tener mucha precaución en todos los laboratorios dónde esté presente el material radiactivo.
2. Los visitantes no se permiten sin la aprobación del supervisor del laboratorio.
3. Lavarse las manos y los brazos completamente antes de ocuparse de cualquier objeto que vaya a la boca, nariz, u ojos (Ej. , Cigarros, los cosméticos, las comidas.) Cuide que las uñas estén cortas y limpias.
4. Se debe desalentar con firmeza el fumar y comer en los laboratorios con radioisótopos. No se usarán juntamente los refrigeradores para las comidas y los materiales radiactivos.
5. Se recomiendan uno o más períodos de pruebas de antemano con los materiales non-radiactivos para los nuevos procedimientos y el nuevo personal para probar efectividad de procedimientos y equipo.
6. Use blindaje en la medida de lo posible.
7. No trabaje con los materiales radiactivos si hay un defecto en la piel debajo de la muñeca.
8. Siempre use los guantes al manejar más de unos cientos de cuentas por minuto. El uso de la ropa protectora (ropa de laboratorio, máscaras, tapas del zapato) tómelo como necesario.
curies o más.
10. Nunca tome la pipeta por la boca. Use bombillas de caucho, jeringas, o los dispositivos mecánicos.
11. Limpie los derramamientos menores inmediatamente. Para los derramamientos mayores siga los procedimientos de la emergencia.
12. Siempre que sea posible, las operaciones de los materiales radiactivos deben realizarse en una campana, caja seca, o algún otro tipo de sistema cerrado. Los manejos de los materiales susceptibles a la distribución atmosférica, como hervir, evaporar, destilar o airear, deben hacerse en un recinto cerrado con un flujo de aire de aproximadamente 100 pies lineales por minuto. Los trabajos con actividades de más de pocas horas de vida media, debe hacerse encima de una bandeja. Trabajar con polvo finamente dividido debe hacerse en una capucha o en sistema cerrado.
13. La mesa y topes de los bancos deben ser de un material no poroso resistente a los químicos. Se cubrirán las superficies activas con papel absorbente sin tener en cuenta el tipo de superficie.
14. Cuando se termina el trabajo, cada persona limpiará su propia área de trabajo y pondrá en orden para disposición o almacenamiento apropiado de materiales radiactivos y equipo.
15. No deben permitirse el uso de bombas de vacío usadas en sistemas que contienen los radioisótopos para algo distinto que ese.
16. Los drenajes y descargas no deben desembocar cerca de ventanas o las aberturas de la succión de los edificios.
advertencia a los que manipulen el recipiente.
18. Los que hacen la limpieza no deben tocar los bancos e instrumentos, etc., pero deben permitir sólo limpiar suelos y ventanas. El personal del laboratorio es responsable por el resto de la supervisión.
19. Las reparaciones de plomería, etc., no debe emprenderse a menos que la Sección de Seguridad de Radiación se haya notificado.
CLASIFICACION DE LAS EMISIONES LASERS
Clases de Láser (adaptado de ANSI Z-136.1-1993 *)
Clase 1
1. No capaz de sobrepasar la Clase 1 de AEL.
2. La mayoría de los láseres en esta clase son láseres que están en una cercanía que prohíbe o limita el acceso a la radiación del láser.
Clase 2a
3. Los láseres en la región visible del espectro que no excedan la Clase 1 AEL para la exposición menos de o igual a 10E3 s.
4. La salida del láser no se considera que el rendimiento es visto. 5. Un ejemplo de un láser Clase 2a es un escáner de punto-de-venta de
supermercado.
Clase 2
6. Todos los láseres Clase 2 están en la región visible del espectro. 7. Láseres de onda continua que pueden emitir potencia radiante
accesible que excede la Clase 1 AEL para la máxima duración inherente en el láser, pero no exceda de 1 mW.
8. Láseres pulsados que pueden emitir potencia radiante accesible que excede la Clase 1 AEL para la máxima duración inherente en el láser, pero no exceda la Clase 1 AEL para una exposición de 0.25 s.
Clase 3a
9. Tiene salida que es mayor que o igual a 5 veces la clase 2 AEL
Clase 3b
10. Onda continua - entre los límites de la Clase 3a y 500 mW.
Clase 4
12. Los límites exceden a la Clase 3b.
Para la información específica sobre la clasificación de riesgo de láser, refiérase a ANSI Z136.1-1993.
ANSI Z136.1-1993 se publicó y registró por:
El Instituto del Láser de América 12424 Research Parkway
ORLANDO, FL 32826
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:
Laser Hazard Classification. Laser Safety. UIUC Division of Environmental Health and Safety. University of Illinois at Urbana-Champaign. 06JUN1999
http//www.ehs.uiuc.edu/~rad/manual/lab_proc.html. 18FEB2000
PRACTICA N°. 2
ESTUDIO DE LAS ONDAS
OBJETIVOS
1. Familiarizar al estudiante con la función de onda y los parámetros básicos de éstas funciones, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
2. Comprobar la superposición de ondas, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
3. Determinar el desfasaje entre dos ondas de la misma frecuencia, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
4. Obtener las figuras de lissajous a partir de dos ondas de frecuencia diferentes, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
MARCO TEÓRICO
Cuando encendemos la radio, el sonido se oye en puntos distantes a la radio, cuando se enciende la lampara de una habitación, esta se ilumina. En los dos casos mencionados estamos en presencia del movimiento ondulatorio.
lugar pueden ser dependientes del tiempo ó dinámicas, de modo que haya una perturbación, es lo que llamamos ondas, y estas se pueden considerar longitudinales y transversales, según la perturbación sea en dirección del desplazamiento, o perpendicular respectivamente.
Tomemos un ejemplo típico de ondas, el cual consiste en una cuerda estirada, en la cual se produce un pulso, el cual viaja a lo largo de la cuerda con una velocidad v. el pulso a lo largo del eje x (eje de la cuerda) y el desplazamiento transversal de la cuerda se mide sobre la ordenada y, entonces el pulso se puede representar mediante y = f(x), pero como el pulso viaja hacia la derecha ó hacia la izquierda, la ecuación sería:
y = f (x + vt)
Cuando esta onda a quien nos referimos es repetitiva, decimos entonces que la función es periódica y su ecuación la podemos describir como:
y = Asen (2
/
) x,
y si viaja, entonces será:
y = Asen ((2
/
) x + vt )
Observe que la función de onda tiene la forma y = f (x + vt ), dependiendo si viaja hacia la izquierda ó hacia la derecha. El tiempo que
tarda la onda en recorrer una distancia de una longitud de onda
sedenomina periodo, T; por lo tanto
K
= vT de donde:y = Asen[ 2
(x /
- t / T ]
Esta es la forma de la función de onda, demuestra su naturaleza periódica y se puede expresar de una forma más conveniente, si se definen
las siguientes cantidades, el número de ondas K y la frecuencia angular
ω
:K = 2
/
,
= 2
/ T luego,
y = A sen ( Kx -
t)
La función de onda que hemos descrito supone que y = 0 cuando x = 0 y t = 0. Esto no necesariamente es el cero. Si el desplazamiento transversal no es cero en x = 0 y t = 0 la función de onda se expresará de esta forma:
y = A sen ( Kx -
t -
)
Donde se denomina la constante de fase.
MATERIALES
- 1 Osciloscopio.
- 1 Resistencia (del orden K ).
EXPERIENCIA N° 1
Conecte el generador de onda, con el osciloscopio (según indicaciones del profesor), seleccione la forma de onda y obsérvese las gráficas en el osciloscopio, varíe la amplitud y frecuencia del generador y tome nota.
TABLA DE DATOS N°. 1
Ag(Vp) Fg(Hz) Ao1 Fo1 Ao2 Fo2 Ao3 Fo3
1 100
1.5 200
2 300
2.5 400 3 5000
Ao1, Fo1: Onda senoidal, Ao2, Po2: Onda triangular
Ao3, Fo3: Onda cuadrada.
EXPERIENCIA N° 2
1. Monte el circuito de la figura 2.1.
FIGURA N° 2.1
TABLA N° 2
Medida del Desfasaje
FRECUENCIA DE ENTRADA (Hz) ANGULO DE FASE 500
EXPERIENCIA N° 3
1. Conecte el circuito como lo indique el profesor. Coloque una frecuencia de 500 Hz, en la entrada vertical, y señales de frecuencia de 500 Hz, 750 Hz, 1000 Hz, 1500 Hz y 2000 Hz en la entrada horizontal.
2. Repita la experiencia anterior dividiendo entre 10 todas las frecuencias.
TABLA N° 3
FV (Hz) FH (Hz) Gráfico FV (Hz) FH (Hz) Gráfico
500 500 50 50
500 750 50 75
500 1.000 50 100
500 1.500 50 150
PRACTICA N°. 3
ONDAS MECANICAS AMORTIGUADAS
( Péndulo de Phol)
OBJETIVOS
1. Determinar la frecuencia natural de sistema, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
2. Determinar los tipos de amortiguamiento de un sistema oscilatorio, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
MARCO TEÓRICO
FIGURA N° 3.1.
Un ejemplo muy común de oscilaciones amortiguadas es el caso de un resorte unido a una masa y esta unida a un émbolo, dentro de un envase con cierta cantidad de liquido.
Aunque en estos casos resulta muy complicado el análisis detallado de las fuerzas que producen el amortiguamiento, con frecuencia podemos representar esta fuerza mediante una expresión empírica la cual coincide razonablemente, con los resultados experimentales. La representación más común de una fuerza de esta clase es aquella que se considera proporcional a la velocidad de la masa pero en sentido opuesto.
F = - b v (1)
donde b es una constante que describe el grado de amortiguamiento.
Entonces en la fig. N° 3.2 aplicamos la ley de Newton tendremos que:
Σ
F = ma
(2)
si la constante del resorte es K y la fuerza amortiguadora es - bv entonces
Σ
Fx = - K x - bv = m dv / dt (3)
La energía mecánica total del sistema será
E = ½ m V
2+ ½ K x
2(4)
La solución de la ecuación (3) es de la forma
donde Ao es la amplitud inicial,
ω
la frecuencia angular del osciladoramortiguado y
es el ángulo inicial.ω = ω
0x
(1 - (b / 2m
ω
0)
2)
donde
ω
0 es la frecuencia natural del sistema, ó sea la frecuencia sinamortiguamiento .
Para nuestro estudio consideraremos el péndulo de Phol el cual es un sistema oscilante con amortiguamiento que sirve para registro cuantitativo de la dependencia de la amplitud y de la fase.
MATERIALES
- Péndulo de Phol - Amperímetro DC
- Fuente de Corriente Continua - Cables Conectores
FIGURA N° 3.3.
EXPERIENCIA N° 1
Determinación de la frecuencia natural del péndulo de Phol.
Para determinar la frecuencia natural Fo, el sistema oscilante se excita
a mano. Contando un número de oscilaciones n y midiendo el tiempo t necesario para ese final, se obtiene la frecuencia natural como Fo = n / t.
EXPERIENCIA N° 2
Determinación de los tipos de amortiguamiento.
debe sobrepasar 2 A max y por un tiempo de 2 ó 3 minutos para protección del equipo.
1. Aplique una corriente de 0,3 A y 1.5 A después de excitar el equipo y observar la forma de onda en cada caso.
2. Haga un gráfico de la forma de onda en cada caso.
PRACTICA N° 4
MEDICION DE LA VELOCIDAD DEL SONIDO
OBJETIVOS
1. Determinar la velocidad del sonido considerándola como un fenómeno ondulatorio, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
2. Comparar el resultado calculado de la velocidad del sonido con el resultado teórico, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
3. Comprobar el carácter ondulatorio del sonido, identificando la propagación de la onda, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
MARCO TEÓRICO
generadas, por lo general, mediante fuentes grandes, siendo un ejemplo de ellas la de los terremotos. Las grandes, frecuencias asociadas con las ondas ultrasónicas pueden ser producidas por las vibraciones elásticas de un cristal de cuarzo inducidas por resonancia al aplicar un campo eléctrico alterno (efecto piezoeléctrico). El sonido se propaga a velocidades muy inferiores a las de las ondas electromagnéticas, cuyo valor es de aproximadamente 340 rn / s.
MATERIALES
- Aserrín
- Un diapasón ( f = 1700 Hz) - Un tubo de vidrio.
- Un tapón - Una regla.
EXPERIENCIA N° 1
Procedimiento: Viértase en el tubo de vidrio una pequeña cantidad de aserrín y colóquese éste horizontalmente. Tape un extremo del tubo con el tapón, que sirve de barrera aisladora de sonidos. Asegúrese que el aserrín esté distribuido uniformemente en el interior del tubo, así como de eliminar el exceso de este.
Golpee el diapasón y acérquelo al extremo libre del tubo de vidrio de modo que se observen bien los nodos y picos de la onda estacionaria.
también la frecuencia nominal de diapasón, f, cuyo valor es necesario para la determinación de la velocidad del sonido.
FIGURA N° 4.1.
EXPERIENCIA N° 2
Tome un diapasón con caja de resonancia, golpéelo y acérquelo a otro diapasón con caja de resonancia.
PRACTICA No. 5
DESCOMPOSICIÓN DE LA LUZ
(ESPECTROSCOPIO)
OBJETIVOS
1. Obtener el espectro de emisión de diferentes gases (Neón, Hidrogeno, Sodio etc.), utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
2. Observar como se puede obtener el espectro de emisión de un gas, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio. 3. Manejar un espectroscopio para obtener el espectro de emisión de un
gas, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
MARCO TEÓRICO
FIGURA N° 5.1.
Suponga ahora que un rayo de luz blanca incide sobre un prisma, como en la figura 5.2. Los rayos salen de la segunda cara dependiendo de como se dispersan y dan origen a un espectro. Estos colores, en orden de longitud de onda son: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul y violeta.
FIGURA N° 5.2.
espectral. La luz violeta es la que se desvía en un grado máximo, en cambio la luz roja es la que menos se desvía y los colores restantes del espectro visible caen dentro de estos extremos. Cuando la luz es dispersada por una superficie material como un prisma, se dice que se dispersan en un espectro.
Un prisma se utiliza frecuentemente como un instrumento conocido como espectro prismático. Este instrumento se utiliza para estudiar las características espectrales de una fuente luminosa, como una lampara de vapor de hidrógeno. La luz que proviene de la fuente se envía a través de una abertura angosta, ajustable y pasa por una lente para producir un haz colimado, El haz pasa después por el prisma y los rayos se dispersan en un espectro. La luz refractada se observa mediante una lente. El observador ve una imagen de la rendija a través del ocular de un telescopio. Este aparato se puede mover o se puede hacer girar el prisma para observar las diferentes longitudes de onda, las cuales tienen ángulos diferentes de desviación
FIGURA N° 5.3.
MATERIALES Y EQUIPOS
Tubos espectrales (H2, 02, N2, He, Ne, etc.)
Espectroscopio
Soporte de tubos espectrales.
EXPERIENCIA N° 1
Tome un tubo espectral con gas de hidrogeno colóquelo en el soporte y produzca una diferencia de potencial entre los extremos del tubo de 5000 V (cuidado con esta tensión, es bastante elevada). Coloque el espectroscopio frente al tubo espectral, de la forma que la rendija del tubo colimador quede exactamente frente al tubo de gas y que el tubo de iluminación de la escala quede frente a una luz blanca.
1. ¿Que color toma el tubo espectral? ¿ Por que?
EXPERIENCIA N° 2
Coloque en el soporte espectral un tubo de gas desconocido, coloque el espectroscopio convenientemente hasta observar el espectro del gas desconocido.
1. ¿Que indica ese espectro del gas desconocido?
PRACTICA N°. 6
El ESTROBOSCOPIO
OBJETIVOS
1. Conocer el funcionamiento del estroboscopio, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
2. Observar los efectos ópticos producidos por una luz estroboscópica, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio. 3. Obtener la velocidad de un cuerpo rotativo por el método estroboscópico,
utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
MARCO TEÓRICO
Las observaciones de las ilusiones ópticas provocadas por los cuerpos giratorios, fueron publicadas por Faraday en 1.831. Estas sugirieron la construcción de algunos aparatos que pueden considerarse como los precursores más primitivos del cinematógrafo. El primer aparato, ideado se llamó fenapiscopio construido en 1.832, por el Belga Plateu poco tiempo después el Austríaco Stamfer construyó el estroboscopio.
Los estroboscopios actuales tienen internamente incorporado un oscilador que le permite generar una gama de frecuencias, para emitir un variado numero de destellos por minuto dentro de un amplio rango.
Una forma de comprender el funcionamiento del estroboscopio es el siguiente:
Suponga que existe un punto girando alrededor de un eje en el espejo, si lográramos cerrar y abrir los ojos a la misma velocidad con la cual gira el punto, este se vería inmóvil en el espacio, entonces la velocidad de apertura y cierre de los ojos correspondería a la velocidad de giro del punto en el espacio.
MATERIALES
Luz estroboscópica.
Motor eléctrico.
PROCEDIMIENTOS
1. Haga una marca visible sobre la sección transversal del eje de la máquina a la cual se le va a medir la velocidad.
2. Enfoque la lampara y por lo tanto los destellos sobre el eje donde esta la marca.
3. Ajuste la emisión de destello hasta que se vea la marca inmóvil.
frecuencia hasta observar una sola marca fija. Cuando esto suceda entonces tendremos que.
ω
= 2
π
f
Donde
f
es la frecuencia de destellos yω
es la velocidad angular que sedesea encontrar
PRECAUCIÓN
PRACTICA N° 7
LA VELOCIDAD DE LA LUZ
OBJETIVOS
1. Medir la velocidad de la luz mediante el método del desfasaje, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
2. Observar la señal producida por la onda luminosa en el osciloscopio, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
MARCO TEÓRICO
Hasta el principio del siglo XIX, la luz habría sido considerada como una corriente de partículas emitida por una fuente luminosa. La mayoría de los científicos aceptaron la teoría corpuscular, sin embargo, se propuso otra teoría que argumentaba, que la luz podía ser una especie de movimiento ondulatorio, lo cual no fue inicialmente aceptado hasta el 1.873, cuando Maxwell demostró que la luz era una forma de ondas electromagnéticas de alta frecuencia. Esta teoría fue confirmada en el año 1887 por Hertz quien pudo producir y detectar ondas electromagnéticas y demostrar que éstas exhibían todos los efectos característicos de las ondas de la luz.
El primer método exitoso para la medición de la velocidad de la luz, se aplicó en 1849 por Fizeon. El cual tomó una rueda dentada y la interpuso a un rayo luminoso, y detrás de la rueda dentada a una distancia L, colocó un espejo, de tal forma que la rueda dentada producía una especie de pulso luminoso. La idea básica consistía en medir el tiempo total que tarda la luz en viajar desde algún punto determinado hasta un espejo distante y regresar.
Siendo L la distancia entre la fuente y el espejo y t el tiempo de tránsito del rayo, entonces.
v = c = 2L/ t (
constante
)
En los últimos años, se han ideado una gran cantidad de métodos para medir la velocidad de la luz con suficiente precisión, algunos de los métodos utilizados son por ejemplo la técnica del láser, la cual se puede decir que se asemeja a la técnica de Fizeon, con la diferencia que aquí, en vez de utilizar un rayo luminoso, se usa un haz láser y se mide la distancia y el tiempo entre la emisión y la recepción de estos.
Otra técnica para medir la velocidad de la luz, consiste en tomar una onda electromagnética y graficarla con la ayuda de un osciloscopio, parte de la onda y con la misma, hacer un recorrido y luego graficarla nuevamente, en éste caso se presentará un desfasaje entre las dos señales, por lo tanto se puede medir la distancia que transita la onda y el desfasaje, entonces, podemos calcular la velocidad de la luz como.
Siendo d el recorrido de la onda y t el desfasaje entre las dos señales.
ESQUEMA DE LA PRACTICA
EXPERIENCIA
Conecte el generador de frecuencias y la lámpara al osciloscopio como lo indica la figura, luego coloque la lámpara con el acrílico, la lente y con el elemento detector, de tal forma que la lente esté lo más cerca posible al elemento detector.
PRACTICA N° 8
RELACIÓN DE CARGA/MASA DEL ELECTRÓN (e / m)
OBJETIVOS
1. Determinar la relación e/m de algunas partículas, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
2. Observar la trayectoria de algunas partículas a través de un gas, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio. 3. Observar la influencia del campo eléctrico y el campo magnético en la
trayectoria de algunas partículas, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
4. Comparar los cálculos experimentales de la relación de e/m con los valores teóricos, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
MARCO TEÓRICO
ahora denominadas electrones, son un constituyente fundamental de toda la materia.
En el estudio cuantitativo de las desviaciones producidas por los campos magnéticos y eléctricos, obtenemos las fuerzas que estos campos ejercen sobre las cargas eléctricas.
Si el campo eléctrico "E" entre dos placas de un condensador de distancia de separación S, es producido por una fuente de fuerza
electromotriz
ε
tal que. E =ε
/ S, la fuerza ejercida por E será e x E y está dirigida paralela a E, el campo magnético que existe en la zona produce una fuerza sobre el haz de electrones la cual es perpendicular al campo y al haz.Mediante un cálculo sencillo se obtiene la fuerza ejercida por la inducción magnética B sobre la carga que se mueve con una velocidad v
perpendicular a B.
Fuerza = e v B
Si la luz es desviada mediante un campo eléctrico E y a continuación con una inducción B ajustada a un valor y dirección adecuada se desvía nuevamente el haz a la posición original. Se puede lograr que estas fuerzas sean iguales y opuestas, tal que.
E e = e v B,
luego se obtiene
v = E / B
campo magnético. La trayectoria circular se explica porque la fuerza ejercida por la inducción magnética sobre las partículas de velocidad V es siempre perpendicular a la dirección de la velocidad. De aquí que, en un pequeño elemento de recorrido, esta fuerza no produce cambio de magnitud, sino solamente una desviación uniforme.
Para la trayectoria circular de radio R debido a la inducción magnética B se cumple la siguiente condición.
Fuerza centrípeta = Fuerza Magnética
mv
2/ R = e v B
Luego tendremos que:
e / m =
v
/ R B
Los resultados más recientes de este cociente en la actualidad.
e/m =
1,75888 x 10
11coul/Kg.
PROCEDIMIENTO
para la determinación cuantitativa de la carga especifica de los electrones, cuyo rayo es desviado bajo la acción de un campo magnético homogéneo de un par de bobinas de Helmholtz.
Para la determinación de la carga debemos medir.
1. El radio R como una función del potencial en el ánodo. 2. La densidad del flujo del campo magnético.
3. La velocidad de las partículas en función del potencial aplicado al ánodo y la inducción magnética original.
Determinados estos parámetros, entonces procedemos al calculo de la relación e/m de dichas partículas.
e/m =
v
/R B
PRACTICA No.9
EL LÁSER, REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN
OBJETIVOS
1. Conocer el funcionamiento de un láser, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
2. Obtener los efectos de reflexión y refracción de un haz láser, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
3. Observar la transmisión de la luz láser en una fibra óptica, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
MARCO TEÓRICO
El primer láser se construyó en 1.960. Imagine una luz sobre un sistema atómico, si el fotón incidente es lo suficientemente energético, este puede ser absorbido por un átomo excitado y puede volver a un estado más bajo por medio de la emisión de un fotón a través de dos mecanismos distintos. En un caso el átomo emite energía espontáneamente, mientras que en el otro la emisión es disparada por la frecuencia de radiación electromagnética de una frecuencia apropiada. Este ultimo proceso se conoce como emisión estimulada y esto es el funcionamiento de un láser.
Figura N° 9.1.
Donde
1, es el ángulo de incidencia el cual es igual al ángulo dereflexión, y
2 es el ángulo de refracción.MATERIALES
Láser
Acrílico (de diferentes formas).
Regla.
Fibra óptica.
EXPERIENCIA N° 1
refractado. Determine el ángulo de incidencia, el ángulo de reflexión y el ángulo de refracción.
Figura N° 9.2.
Haz entrando a una placa plana transparente
EXPERIENCIA N° 2
Encienda el láser y coloque un extremo de la fibra óptica en la salida del haz de luz láser, observe el otro extremo de la fibra óptica.
Nota: No permita que el haz de luz láser incidan directamente en sus ojos.
PRACTICA N° 10
RIGIDEZ DIELECTRICA Y CONDUCTIVIDAD
OBJETIVOS
1. Determinar la rigidez dieléctrica de los materiales aislantes y semiconductores, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
2. Determinar la conductividad de los materiales conductores, utilizando con objetividad los equipos e instrumentos del laboratorio.
MARCO TEÓRICO
Conducción en metales, aisladores y semiconductores
Conductores
Es posible obtener un mejor entendimiento de las propiedades de los metales al considerar una banda medio llena como lo es la banda 3s del sodio. Debido a que los electrones obedecen la estadística de Fermi – Dirac, todos los niveles que se hallan por debajo de la energía de Fermi, EF, están
llenos de electrones, mientras que todos los niveles por encima de EF se
hallan vacíos. En el caso del sodio, la energía de Fermi cae a la mitad de la banda. A temperaturas mayores que 0° K, unos cuantos electrones están térmicamente excitados a niveles por encima de EF, pero en general hay
solamente una pequeña cantidad de energía adicional del campo para alcanzar estados de energía vacíos que se encuentren cercanos
Aisladores
Ahora considérense las dos bandas de energía más altas para un material cuya banda más baja está completamente llena con electrones, y la superior completamente vacía a 0° K. Es común referirse a la separación entre las bandas llenas más externas y a las vacías como un hueco de energía, Eg, del material. El hueco de energía para un aislador es grande, del orden de 10 eV. La banda inferior llena con electrones se llama banda de valencia, y la banda vacía superior se llama banda de conducción. La energía de Fermi cae en algún lugar dentro del hueco de energía. Como el hueco de energía para un aislador es grande (~ 10 eV) comparado con kT a temperatura ambiente (kT = 0.025 eV a 300 K), la distribución de Fermi -Dirac predice que habrá pocos electrones térmicamente excitados en la banda superior a temperaturas normales. Así, aunque un aislador tiene muchos estados vacíos en la banda de conducción que puedan aceptar electrones, habrá tan pocos electrones ocupando realmente los estados de la banda de conducción que la contribución general a la conductividad eléctrica es muy pequeña, resultando en una resistividad muy alta para los aisladores.
Semiconductores
Empero, a temperaturas ordinarias, la situación es bastante diferente. La estructura de bandas de un semiconductor puede ser representada por el diagrama de la figura 10.1. Como el nivel de Fermi, EF, se halla localizado a
la mitad aproximadamente dei hueco para un semiconductor, y como Eg es
pequeña, números apreciables de electrones son excitados térmicamente desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. Como hay muchos estados cercanos vacíos en la banda de conducción, un pequeño potencial aplicado puede elevar con facilidad la energía de los electrones en la banda de conducción, resultando en una corriente moderada. Debido a que la excitación termal a través de este hueco estrecho es más probable a temperaturas mayores, la conductividad de los semiconductores depende mucho de la temperatura y aumenta rápido con la misma. Esto contrasta fuertemente con la conductividad de un metal, la cual disminuye en forma lenta con la temperatura.
mueven en la dirección del campo y los electrones de conducción se mueven en la dirección opuesta al campo.
Figura 10.1 Figura 10.2
MATERIALES
Voltímetro de alto voltaje
Condensador de placas paralelas móviles
Muestra aislante
Muestra semiconductora
Muestra conductora
Refrigerador de muestra
Calentador de muestra
EXPERIENCIA N° 1
Verifique la resistencia dieléctrica de los materiales de la tabla siguiente:
Material Constante dieléctrica (k) Resistencia dieléctrica (V/m)
Aire 1.00059 3 x 106
Baquelita 4.9 24 x 106
Papel 3.7 16 x 106
Vidrio Pyrex 5.6 14 x 106
Silicio 1.05 5 x 105
Germanio 1.0 1 x 105
Coloque en la tabla siguiente los resultados:
Material Voltaje de ruptura Sep. de placas
Considere la lista de materiales siguiente con sus respectivas propiedades:
Material. Resistividad. (.m) Coef. de temperatura (°C-1)
Cobre 1.7 x 10-8 3.9 x 10-3
Aluminio 2.82 x 10-8 3.9 x 10-3
Hierro 10 x 10-8 5.0 x 10-3
Plomo 11 x 10-8 3.9 x 10-3
Carbón 3.5 x 10-5 -0.5 x 10-3
Silicio 640 -75 x 10-3
Germanio 0.46 -48 x 10-3
Para los diferentes valores de temperatura, mida la resistencia y los nuevos valores geométricos para calcular los valores de resistividad correspondientes:
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Raymond A. Serway. FISICA Tomo II. McGRAW – HILL. 1993
