Cuadernillo de Practicas de Laboratorio d

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Colegio de Bachilleres

del Estado de Quintana Roo

Cuadernillo de Prácticas

Laboratorio de

Física II

Agosto 2004

Colegio de Bachilleres del Estado de Quintana Roo Cuadernillo de Prácticas de Física II

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INTRODUCCIÓN

El presente Cuadernillo está elaborado para apoyar el desarrollo de los contenidos del programa de estudio de

la asignatura de Física II, en dicho material encontramos actividades experimentales que ayudarán a los

alumnos del bachillerato a lograr aprendizajes significativos en Física, ya que de esta manera favorecerá el

trabajo en equipo, además que fortalecerá sus conocimientos y se acercará al fenómeno de estudio,

posibilitándole una interpretación del mismo.

Debido a lo anterior, se seleccionaron actividades que se desarrollarán durante el semestre, dichas actividades

experimentales se podrán realizar en el laboratorio como en el aula. Cabe mencionar que el docente podrá

considerar otras prácticas convenientes de acuerdo al material y equipo disponible en el plantel.


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ÍNDICE

Pág:

Unidad I: Hidráulica

Actividad Experimental I. Principios de Bernoulli

5

Unidad II: Calor y Temperatura

Actividad Experimental 2. Paredes adiabáticas

7

Actividad Experimental 3. Calorímetro

8

Actividad Experimental 4. Sistema en equilibrio térmico

10

Unidad III: Electromagnetismo

Actividad Experimental 5. La celda eléctrica

11

Actividad Experimental 6. El comportamiento del voltaje y la corriente dentro de algunos circuitos

12

Actividad Experimental 7. Motor eléctrico a base de un imán

14


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RESUMEN DE PRACTICAS DE FISICA II

NOMBRE Y No. DE PRACTICA

OBJETIVO RELACION CON EL PROGRAMA DE ESTUDIOS

1.Principio de Bernoulli

Determinar la velocidad de flujo de un fluido, dentro de dos tubos de diferentes diámetros

1.2.2.Teorema de Bernoulli y sus aplicaciones

2. Paredes adiabáticas

Comprobar que un sistema que está envuelto en paredes adiabáticas, es un sistema en el que no se puede emitir o absorber calor , durante un proceso

2.1.7 Calor cedido y absorbido por los cuerpos

3. Calorímetro Construir un instrumento que sirva para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos

2.1.6 Calor específico de las sustancias

4. Sistema en equilibrio térmico

Demostrar experimentalmente que cuando dos

cuerpos en contacto térmico se encuentran en

equilibrio térmico, no existe flujo de calor de uno

hacia el otro.

2.1.3.Mecanismos de transferencia de calor

5. La celda eléctrica Comprobar que se puede generar energía eléctrica a partir de la reacción de un número de sustancias químicas, sin necesidad de combustión y sin producir ruido o contaminación.

3.1.2 Unidad de medida

6. El comportamiento del voltaje y la corriente dentro de algunos circuitos

Identificar el comportamiento del voltaje y la corriente eléctrica dentro de algunos circuitos eléctricos sencillos

3.1.5 Diferencia de potencial o voltaje, corriente, corriente eléctrica

7. Motor eléctrico con imán

Construir un motor eléctrico y modificado para que tenga mayor velocidad

3.3.4 Características de la corriente directa y alterna

- Funcionamiento del transformador, generador y motor eléctrico


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Actividad Experimental No. I Principios de Bernoulli

OBJETIVO Determinar la velocidad de flujo de un fluido, como el agua, dentro de dos tubos de diferentes diámetros. l. INTRODUCCIÓN Daniel Bernoulli presentó en la ecuación usada con mayor frecuencia en la Ingeniería hidráulica. En esta ecuación se relacionan la presión, la velocidad y la altura de un líquido incomprensible, considerando que cada partícula se mueve con la misma velocidad y trayectoria que las precedentes a lo que llamamos régimen estacionario. Dicha Ecuación es:

En donde p es la densidad del líquido v es la velocidad en un punto g es la aceleración de la gravedad h es la altura del liquido sobre un nivel de referencia arbitrario p es la presión Aplicando el principio de conservación de la energía y la ecuación de continuidad para un Iíquido incomprensible, se demuestra que el mismo volumen del líquido que pasa por la sección transversal de un tubo, es igual al volumen que pasa por la sección transversal de un estrechamiento. Es importante saber que ½ pv2 representa la energía cinética por unidad de volumen, p gh es la energía potencial por unidad de volumen y P es la presión. II. MATERIAL y EQUIPO

Cantidad Descripción 1 Jeringa de 20 ml. 1 Venofix (mariposa) 23g, diámetro Interior de la aguja 0.65 mm. 1 Calibrador con vernier 1 Cronometro


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III. DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. Llenamos la jeringa hasta la marca de los 20 ml. 2. Medimos el tiempo en que el líquido pasa por el tubo delgado. 3. Medimos los diámetros y calculamos las áreas. 4. Calculamos el gasto y la velocidad.

a) Anotamos el tiempo en segundos, el volumen en m3. t = vol =

b) Calculamos el gasto. Q =

c) Aplicamos el principio de continuidad, siendo el gasto Q1 en el primer tubo, igual al gasto Q2 en el 2° tubo, y determinamos la velocidad en cada tubo.

A partir de Q1 = A1 V1 despejo la velocidad V1:

Lo mismo para la velocidad en el tubo de menor diámetro

IV. CUESTIONARIO 1. Enuncia el principio de continuidad 2. Al comparar las velocidades ¿cuál es mayor? 3. ¿Qué volumen de agua pasa por cada tubo? 4. ¿Por qué no se toma en cuenta la altura del líquido?


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Actividad Experimental No. 2

Paredes adiabáticas Objetivo: Comprobar que un sistema que está envuelto en paredes adiabáticas, es un sistema en el que no se puede emitir o absorber calor, durante un proceso. Material: • Agua simple. • Un pocillo de aluminio. • Tres vasos de poliestireno (unicel) • Dos popotes o un agitador. • Hielo. • Termómetro de mercurio (de - 20 a 110ºC). Procedimiento: Calienta un poco de agua hasta que su temperatura llegue a 50 ó 60ºC. Viértala en partes iguales aproximadamente: 1) en el pocillo de aluminio, 2) en un vaso de unicel y 3) en otro vaso de unicel, el cual taparás con otro vaso del mismo material de menor diámetro, o bien recortándolo parcialmente en su extremo superior, en posición invertida de tal forma que se obtenga el arreglo que se muestra en la figura.

Ahora agita los líquidos con un par de popotes o una barra de vidrio y toma la temperatura de los tres sistemas cada dos o tres minutos durante media hora. ¿Cómo varió la temperatura de cada sistema conforme fue avanzando el tiempo? ¿En qué sistema se conservó menos la temperatura original? ¿En cuál más? Ahora, empleando agua enfriada por hielos durante cinco minutos aproximadamente, viértala (sin hielos) en los tres recipientes anteriores (previamente vaciados) y mide la temperatura en cada cuatro o cinco minutos durante 30 o 45 minutos. ¿Cómo varió la temperatura en cada sistema a lo largo del tiempo? ¿En cuál el agua se fue calentando más rápido? ¿En cuál la temperatura inicial se conservó por más tiempo? Trata de explicar tanto en los experimentos con agua caliente como en los de agua fría las razones por las cuales la temperatura inicial fue variando. ¿En qué casos puede considerar que las paredes del sistema se aproximan a paredes adiabáticas? Comenta tus resultados con tus compañeros y el profesor.


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Actividad Experimental No 3

Calorímetro. Objetivo: Construcción de un calorímetro para determinar el calor específico de un aceite (lubricante o de cocina) Material: • Recipiente de “unicel” previsto de una tapa ajustada. • Recipiente de plástico o de lata. • Algodón. • Termómetro de mercurio (-20 a 110ºC aproximadamente). • Agua simple. • Aceite de cocina o lubricantes. • Agitador (elaborado con alambre). Procedimiento: Puede construirse con relativa facilidad un buen calorímetro, semejante al de la figura A. Después de construirlo, se medirá su capacidad térmica. De esta manera empleando tal aparato podrá determinarse el calor específico de un sólido o un líquido cualquiera. Procédase del modo siguiente: 1) Tome su recipiente de “unicel” provisto de una tapa ajustada. En su interior coloque otro recipiente, de plástico o de lata, y llene con algodón el espacio entre los dos (vea la figura de este experimento). Haga en la tapa dos orificios; introduzca en uno de ellos un alambre con la punta encorvada (agitador), y el otro, un termómetro común. Así, su calorímetro estará listo para ser utilizado.

FIGURA A. 2) A fin de determinar la capacidad térmica del calorímetro que construyó, lea con atención el enunciado del problema relacionado con el tema, y siga el procedimiento efectuado por el estudiante que se menciona en dicho problema. Evidentemente, las masas y las temperaturas en su experimento no deben ser necesariamente iguales a las mencionadas en el problema propuesto (debe escoger los valores de las masas de agua conforme al tamaño de su calorímetro). Si no dispone de una balanza apropiada, podrá obtener los valores de estas masas si mide sus volúmenes y recuerda que la densidad del agua es de 1g/cm3. Luego de efectuadas todas las mediciones necesarias (descritas en el problema) calcule, en cal/ºC, la capacidad térmica de su calorímetro. 3) Ahora ya podrá utilizar el calorímetro para medir el calor específico de un líquido o un sólido cualquiera. Lo podemos emplear para determinar el calor específico de un aceite (lubricante o de cocina). Siga las instrucciones siguientes: a) Coloque en el calorímetro una determinada masa de agua fría, que ocupe un poco menos de la mitad de su

volumen. Con el termómetro lea la temperatura de equilibrio del calorímetro con esta agua.


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b) Mida, con cuidado, cierta masa de aceite, aproximadamente igual a la del agua colocada en el calorímetro

(en caso de que no disponga de una balanza, pida al farmacéutico o tendero más cercano que realice por usted esta medición).

c) Caliente la masa de aceite hasta cierta temperatura (unos 60ºC o 70ºC). Usando el termómetro, lea y anote

esta temperatura. d) Coloque inmediatamente el aceite en el interior del calorímetro. Use el agitador para uniformizar la

temperatura de la mezcla, y observando el termómetro, espere a que alcance el valor final de equilibrio. Anote dicho valor. Nota: Experimento tomado del libro “Física General” de Alvarenga y Máximo, páginas 445-446.


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Actividad Experimental No. 4 Sistema en equilibrio térmico

Objetivo: Demostrar experimentalmente el concepto de equilibrio térmico Material: Vaso de vidrio largo Agua simple Calentador de agua (de resistencia). Termómetro de mercurio (-20 a 1100 C aproximadamente) Agitador (de vidrio o de plástico). Hielo. Procedimiento: Llena un vaso grande de vidrio con agua e introduce hasta la parte media del vaso la resistencia. Conecta ésta, espera tres minutos y con auxilio del termómetro empieza a medir cada minuto la temperatura del agua en la parte media del vaso y en el fondo de éste, tratando de no agitar el agua. ¿Éstas dos temperaturas son iguales o diferentes? Ahora vuelve a hacer el experimento anterior, pero desde el principio agita constantemente el líquido con el agitador de vidrio o plástico. ¿Qué diferencia hay entre esta segunda experiencia y la primera? Ahora, empleando el mismo vaso con agua, introduce en él un par de cubos de hielo y mide la temperatura en la superficie del líquido y en el fondo del vaso cada minuto, tratando de no agitar el agua con el termómetro. ¿Qué diferencia encuentras entre la temperatura de estos dos puntos? Repite la experiencia anterior, pero moviendo constantemente el líquido con el agitador ¿Cómo son tus resultados con los de la experiencia anterior (vaso con hielo sin agitar)? ¿En cuales de las sustancias de este experimento podremos afirmar que el sistema de agua está en equilibrio térmico? Por cierto, cabe señalar que la densidad del agua es máxima alrededor de 40C, por lo que a esta temperatura el agua se va al fondo, mientras que el agua más fría que esta temperatura sube a la superficie por ser menos densa, pudiendo congelarse. Por ésta razón, los lagos de lugares fríos sólo tiene hielo en la superficie. Comenta tus resultados con tus compañeros y con tu profesor.


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La celda eléctrica. Objetivo: Construir una celda eléctrica de zinc y de cobre, para comprobar que se puede generar energía eléctrica a partir de la reacción de sustancias químicas. Material: • Un vaso de precipitados. • Un electrodo de zinc (tira de zinc de 1 x 15 cm aproximadamente). • Un electrodo de cobre (placa delgada de cobre). • Un miliamperímetro de corriente directa (0 - 1000 mA). • Dos alambres forrados de plástico. • Dos “caimanes”. • 100 gramos de sulfato de cobre (CuSO4). • Solución de agua y ácido sulfúrico (H2SO4) al 10%, o solución ácida para acumulador de automóvil. Nota: El sulfato de cobre es venenoso, por lo que deberás manejarlo cuidadosamente. Por su parte, el ácido

sulfúrico es una sustancia químicamente muy activa; no debe alcanzar la piel ni objetos de metal. En caso de contacto accidental, lava la parte afectada con abundante agua.

Procedimiento: Conecta por medio de un “caimán” un alambre bien aislado con plástico, a la placa delgada de cobre e introduce ésta en el vaso de precipitados, asegurándote de que el extremo del alambre quede en el exterior. Para construir el otro electrodo, conecta a la tira de zinc, enrollada en forma del espiral, otro alambre aislado y fíjalos en la parte superior del vaso, tal como se muestra en la figura. Lava con agua corriente algunos cristales de sulfato de cobre y deposítalos en el fondo del vaso. A continuación, prepara una solución saturada de sulfato de cobre (la que se obtiene simplemente disolviendo el máximo de sulfato de cobre en agua pura), deposítala hasta la mitad del vaso. (Esta solución se agrega con el propósito de obtener corrientes más duraderas). Llena después el vaso hasta cubrir la espiral de zinc con una solución de agua y ácido sulfúrico al 10%, o con solución ácida para acumulador de automóvil. Conecta los alambre de los electrodos al miliamperímetro, asegurándote de que el electrodo de cobre quede conectado al borne positivo (+) del miliamperímetro, y el electrodo de zinc al borne negativo (-). a) ¿Qué observas? b) ¿De qué orden de magnitud es la corriente detectada? Comenta y discute tus resultados con tus compañeros y con tu profesor.


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El comportamiento del voltaje y la corriente dentro de algunos circuitos

Objetivo: Identificar el comportamiento del voltaje y la corriente eléctrica dentro de algunos circuitos eléctricos sencillos. Material: • Tres portalámparas con focos del número 14 (para linterna). • Un interruptor. • Dos pilas de 1.5 volts. Introducción: En este experimento utilizaremos focos, pilas y un interruptor para averiguar cómo se comportan el voltaje y la corriente eléctrica dentro de las diferentes configuraciones de circuitos que armaremos. En forma cualitativa, podremos determinar el comportamiento de voltajes a través del brillo de los focos. Sin embargo, es factible realizar observaciones en forma cuantitativa, a través de un multímetro que utilizaremos como voltímetro (conectado en paralelo) y como amperímetro (conectado en serie). Desarrollo: a) Inicialmente, arma el siguiente circuito, que nos servirá como referencia, conectando las dos pilas en serie a fin de disponer de un voltaje de 3 volts. Cierra el interruptor y observa cuidadosamente la intensidad luminosa del foco (que es proporcional a la corriente eléctrica que circula por él); y ahora, con el auxilio del multímetro, determina el valor del voltaje entre los extremos del foco y de la pila, y de la corriente que fluye por el foco mismo. ¿Cómo son los valores del voltaje entre los extremos A y B de la pila, y C y D del foco?

b) Ahora introduce un segundo foco en serie con el primero, tal como se muestra en el siguiente diagrama y cierra el interruptor. ¿Qué ocurre con la intensidad luminosa de los focos, comparada con la intensidad del foco del circuito anterior? ¿Es igual, mayo o menor? Si los focos son iguales (o sea que su resistencia eléctrica es similar), ¿Qué ocurre con el voltaje en los extremos de cada foco, para poder explicar los cambios en la corriente eléctrica que circula por ellos? Ahora, con el multímetro mide los voltajes entre los extremos de los focos (C - D y E -F) y de la pila (A - B), así como la corriente que circula entre estos elementos. ¿Qué relación existe entre los voltajes A - B y C - D con el voltaje E - F? ¿Difieren las corrientes que circulan por los focos?


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c) Ahora, de acuerdo con el siguiente diagrama, arma un circuito con los dos focos conectados en paralelo. Mide cualitativa (a través del brillo de los focos) y cuantitativamente (con el multímetro) las intensidades de las corrientes eléctricas que pasan por lo focos y los voltajes entre los extremos de éstos. ¿Las corrientes que circulan por los focos son iguales? ¿Cómo se relacionan los voltajes entre los extremos de la pila A - B, y entre los extremos de los focos C - D y E - F?

d) Ahora arma los siguientes circuitos y de acuerdo con tus observaciones y mediciones, explica qué ocurre con los voltajes entre los extremos de los elementos que integran el circuito y la corriente que circula entre ellos.

Comenta tus resultados con tus compañeros y tu profesor.


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Actividad Experimental No. 7 Motor eléctrico con un imán

Objetivo: Construir un motor eléctrico y modificado para que tenga mayor velocidad. Materiales _ fuente de voltaje de bajo poder o una pila de 1.5 V tipo D. _ un imán pequeño en forma de disco. _ un metro de alambre No. 26 o No. 28 aislado. dos clips _ cinta de celofán _ papel de lija _ plastilina Procedimiento 1. Enrolle el alambre alrededor del imán dejando 2 cm de alambre recto en cada extremo (véase la figura). 2. Retire el alambre del imán y con pequeñas porciones de cinta procure mantener la forma de espira. 3. Doble los clips y péguelos en los extremos de la batería con cinta aislante o fíjelos con plastilina si utiliza la

fuente de voltaje. 4. Utilice plastilina para sujetar el imán de disco debajo de la bobina como lo muestra la figura. El imán debe

estar cerca a la espira pero ésta debe poder rotar libremente sin tocar el imán. 5. Coloque los extremos de los alambres sobre los clips. Ajuste tales extremos para que las espiras puedan

girar bien. 6. Con el papel de lija remueva el recubrimiento aislante en los extremos de los alambres rectos. 7. Coloque de nuevo la espira sobre los clips y dé un pequeño giro a la bobina. 8. Gradúe la fuente de poder a 1.5 V de corriente directa y conecte los alambres desde la salida de la fuente a

los clips como muestran las figuras. La espira deberá girar. 9. Haga los ajustes necesarios en las espiras, los clips, etc, para reducir el rozamiento hasta que el motor

funcione fácilmente y gire por sí mismo Observaciones y datos 1. ¿Girarán las espiras en ambas direcciones? 2. Prediga lo que sucederá si la espira o bobina se invierte. Ensáyelo. Describa sus resultados. 3. Liste por lo menos tres formas de posibles modificaciones del experimento para dar a las espiras una mayor

velocidad. 4. Ensaye cada una de las ideas que ha listado arriba y vea si trabajan. Describa sus resultados. Análisis 1. ¿Por qué rota la bobina? (Sugerencia: Principie por describir la trayectoria eléctrica desde la batería). 2. ¿Por qué su motor quizá trabaje mejor en una dirección que en la otra? Aplicación Examine con atención la parte interna de un motor eléctrico. Identifique sus componentes más importantes. Explique por qué resulta tan pesado para su tamaño.


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BIBLIOGRAFÍA Castillo Pratz José Antonio, Pardo Pratz Leoncio. Física 2. Editorial: Nueva Imagen. Primera edición.2005. Alvarenga y Máximo, Física General.


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El cuadernillo de prácticas de la asignatura de Física II se elaboró con la valiosa participación de los docentes de la Academia Estatal de Física de los planteles que conforman el Sistema del Colegio de Bachilleres del Estado de Quintana Roo que a continuación se enlistan:

Docente Plantel

Ing. Graciela Balderrama Armenta Chetumal Uno

Q.B.B. Alejandro Euan Canto Cancún I

Ing. Roger Andrés Díaz Matos Río Hondo

Ing. Gabriel M. Gómez Tox Chetumal II

Lic. Emigdio Gutiérrez Rojas Cancún III

Ing. Julio Kauil Moo Tihosuco

Coordinadora:

Lic. Alicia Lizzette Suárez Martín

Jefa de Materia del Área de Físico-Matemáticas

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