1Educación Superior Abierta y a Distancia • Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales

Segundo CuatrimestreDivisión: Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales

Cuaderno de prácticas

Física Módulo 1

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El cuaderno de prácticas es una herramienta de actividades formativas que contribuye a desarrollar las capacidades necesarias para el manejo adecuado de los modelos que se presentan a lo largo de la asignatura.

La actividad de la práctica la identificarás a lo largo del programa desarrollado mediante el siguiente ícono:

La física es una ciencia experimental, por lo que todas las teorías establecidas y las leyes enunciadas siempre tienen un apoyo práctico. Por ello, el propósito de este cuaderno es acompañar una serie de actividades en el aula virtual, integrándose por una serie de ejercicios prácticos de gran valor formativo. Por lo tanto, es preciso prestar la máxima atención a las actividades que se desarrollan, preparando de antemano las consideraciones técnicas y aplicando puntualmente las instrucciones que se proporcionan.

No es posible lograr la competencia general de la asignatura sin el uso de un laboratorio, ya que es necesario para obtener los datos requeridos. El software que se utiliza en los ejercicios del cuaderno de prácticas ayudará a cubrir las distintas actividades que se realizan en un laboratorio físico.

El software es de libre acceso y sin costo alguno.

La estructura textual para reportar tu práctica, ya sea elaborada de forma colaborativa o individual, se conforma con los siguientes diez apartados:

Título Nombre Introducción Modelo teórico Desarrollo Datos Análisis de datos Resultados Conclusiones Bibliografía

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Las prácticas individuales son aquellas que realizas por tu parte y entregas a tuFacilitador(a) para que recibas retroalimentación de su parte.

Las prácticas colaborativas se elaboran en equipo y se suben a la base de datos con la finalidad de que recibas aportaciones de tus compañeros(as) de grupo y puedas enriquecer tu trabajo. También deberás participar contribuyendo a la mejora de los trabajos de los demás equipos.

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Las prácticas de esta unidad tienen por objetivo que aprendas a manipular el uso del software Tracker para modelar situaciones físicas. La realización de las prácticas es obligatoria para que desarrolles las habilidades que se proponen en la competencia específica de la unidad.

Consideraciones técnicas:Para realizar las prácticas de la unidad considera los siguientes requerimientos técnicos:

Tener un mínimo de 500 MB de RAM y un ancho de banda mínimo de 500 Kb. Contar con el programa Ja va 1.5 y Quic ktime 7.

Tener el programa Tracker versión 3.10. Descárgalo del sitio Una h erramienta gratu i ta d e mode l a c ión y an á l i s i s de v ideo para l a en s eñ a nza de la

Fí s i c a .

2.1.3. Movimiento con aceleración constante

Práctica 1. Caída libre

Esta actividad es colaborativa por lo que tu Facilitador (a) deberá dividir al grupo en equipos de 3 a 5 estudiantes, asignar a cada equipo un número que lo identifique y por último dar el número de equipo a sus estudiantes. Comiencen a trabajar en equipo y realicen lo siguiente:

1. Describan el procedimiento para instalar Tracker1.*Recuerden instalar Quicktime y Java2.

2. Descarguen el video Balón en caída libre3 que se encuentra en el aula virtual.3. Describan la forma de abrir el video en Tracker.

*Para realizar la descripción pueden incluir imágenes.4. Describan los siguientes puntos:

El procedimiento para obtener los datos de la posición horizontal conforme cae el balón: obtener la trayectoria de la masa puntual, colocación de los ejesy la regla, la posición del balón, cómo marcar y obtener los datos.

1 Recuerden que al descargar Tracker deben colocarlo en el escritorio.2 Se recomienda descargar los programas directamente de la siguiente página:http://w w w. d geo. u dec . cl/~ a ndre s /T ra cke r /

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3 La fuente de consulta para el video es: ht t p:/ / w w w3. s cie n ce.tamu. e du/c m se/v i deoana l ysi s /balldr o p. a vi

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¿Cómo se obtiene el tiempo de caída? ¿Cómo graficar la posición contra el tiempo utilizando una hoja de cálculo? ¿Cómo se obtiene la ecuación de la gráfica anterior? Indiquen la

confiabilidad usando R2. ¿Cómo obtener la gráfica de la velocidad contra el tiempo para encontrar la

aceleración? Obtengan la ecuación de la gráfica anterior e indiquen la confiabilidad. Describan cómo modelar el movimiento del balón con el constructor de

Modelo Analítico de Partícula de Tracker usando las ecuaciones y parámetros anteriores.

5. Reporten su práctica de acuerdo con la estructura textual predeterminada.6. Nombren a un(a) representante de equipo para que sea el (la) encargado(a) de

subir su trabajo a la base de datos y esperen los comentarios de sus compañeros(as).

7. Lean todas las aportaciones que realicen los demás a su trabajo y ustedes también descarguen y comenten los trabajos de los otros equipos.

8. Una vez que la mayoría de sus compañeros(as) haya hecho comentarios a su trabajo, organícense nuevamente con su equipo y elaboren una segunda versión considerando las aportaciones, de tal manera que puedan mejorar sudocumento. *Recuerden respetar las observaciones de sus compañeros(as) ytratar de complementarlas con acierto.

9. Por último, cada integrante del equipo debe subir la segunda versión del reporte a la base de datos para que pueda ser evaluado.

2.1.4. Movimiento bidimensional: circular y tiro parabólico

Práctica 2. Movimiento circular de un cuerpo

1. Descarga el video Tren en movimiento circular4 que se encuentra en el aula virtual.

2. Utiliza el constructor de modelos de Tracker y describe la posición del tren en términos del tiempo. Considera lo siguiente:

Marca un punto en el tren. La descripción del movimiento será la relativa a este punto.

Usa tu escala adecuadamente para obtener los valores de las posiciones en metros.

En una tabla, anota los valores de las posiciones en x y y. Una gráfica de los valores de las posiciones y vs. x te dará la trayectoria del

cuerpo.

4 La fuente de consulta para el video es:http://w w w3. s cience . tamu. e du/cm s e/vid e oanalysi s / t oyt r ain2laps.a v i

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Una gráfica de las posiciones en x y y contra el tiempo será sinusoidal, con amplitud igual al radio de la trayectoria. Obtén el periodo del movimiento del tren de estas gráficas.

Calcula las velocidades en x y y. Al graficar, obtendrás un comportamiento sinusoidal, con amplitudes iguales a la velocidad lineal del tren. Se puede comprobar esta velocidad lineal con la circunferencia de la trayectoria entre el periodo de una revolución.

Calcula y grafica los valores para la aceleración lineal. Las gráficas aceleración vs. tiempo deberían tener amplitudes iguales a la aceleración centrípeta del tren.

Aplica el teorema de Pitágoras a los valores de las posiciones en x y y para obtener el radio de la trayectoria.

Usa la función tangente inversa para obtener datos del movimiento rotacional.Grafica el ángulo contra el tiempo y de la pendiente obtén la velocidad rotacional del tren.

Si el punto marcado sobre el tren fuera un satélite artificial geoestacionario yel centro del círculo fuera la Tierra, indica el radio de la trayectoria, el periodo del movimiento, la velocidad lineal, la aceleración lineal, la aceleración centrípeta y la velocidad rotacional del satélite.

3. Presenta tus resultados en tablas de Excel.

4. Grafica los datos y traza el polinomio5 que modela el comportamiento de los datos.

5. Obtén la ecuación del polinomio que representa el modelo, indica la confiabilidad usando R2.

6. Reporta tu práctica de acuerdo con la estructura textual predeterminada.

7. Envía tu práctica a tu Facilitador(a). Espera la retroalimentación en los siguientes días.

5 El polinomio puede ser de primer grado, es decir, una recta de segundo grado, una parábola, etcétera.

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2.2.2. Segunda ley de Newton o ley de la fuerza

Práctica 3. Segunda ley de Newton: modelo de un balón lanzado horizontalmente

Utiliza el constructor de modelos de Tracker, aplicando la segunda ley de Newton con los parámetros adecuados. Realiza lo siguiente:

1. Descarga el video Movimiento del balón6 que se encuentra en el aula virtual.2. Describe el movimiento del cuerpo: Obtén los valores de las posiciones en x y y. Grafica los valores de y contra x para obtener la trayectoria del cuerpo. Grafica la posición horizontal vs. el tiempo. Obtén la velocidad horizontal de la pendiente de la gráfica. Grafica los valores de la posición vertical vs. el tiempo y obtén la ecuación del

movimiento. Obtén los valores de las velocidades y las aceleraciones de las componentes

verticales y horizontales del movimiento. Usa el teorema de Pitágoras con los valores de las velocidades horizontales y

verticales para calcular la rapidez del cuerpo en cualquier posición o tiempo de su vuelo.

3. Modela el movimiento del cuerpo: Usa la segunda ley de Newton y los parámetros que obtuviste del paso anterior

para modelar el movimiento del cuerpo. Compara los datos que obtienes del movimiento del modelo de tu partícula y los

datos del movimiento real del cuerpo en el video. Explica las limitaciones de tu modelo y la confiabilidad para predecir el

movimiento del balón. Explica cada uno de los parámetros y funciones que usaste: desplazamiento,

velocidad, aceleración, fuerza.4. Reporta tu experiencia de aprendizaje de acuerdo con la estructura textual

predeterminada.5. Entrega tu reporte a tu Facilitador(a) y espera su retroalimentación los

siguientes días.

6 La fuente de consulta para el video es: http:/ / ww w 3.scien c e.tamu.edu/ c m s e/videoana l y sis/hori z proje c tile.a v i

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Práctica 4. El choque de dos cuerpos

Esta práctica es colaborativa por lo que para llevarla a cabo es importante que te organices con el equipo que te asignará tu Facilitador(a).

Realicen lo siguiente:

1. Descarguen el video Choque de dos cuerpos7 que se encuentra en el aula virtual.2. Consideren la masa de 1015 g para el cuerpo azul y de 551 g para el cuerpo rojo,

usando el programa de Tracker para calcular las velocidades de los cuerpos antes y después del choque, las energías cinéticas y los momentos correspondientes.

3. Comparen el momento y energía cinética total antes y después de la colisión considerando lo siguiente:

Obtengan las posiciones y realicen una gráfica contra tiempo. Obtengan las velocidades de cada cuerpo antes y después de la colisión. Grafiquen la velocidad contra el tiempo. Obtengan la energía cinética y el momento. Obtengan el momento total y la energía cinética total antes y después de la

colisión.4. Reporten su práctica de acuerdo con la estructura textual predeterminada.5. Nombren a un(a) representante de equipo para que sea el (la) encargado(a) de

subir su trabajo a la base de datos y esperen los comentarios de sus compañeros(as).

6. Lean todas las aportaciones que realicen los demás a su trabajo y ustedes también descarguen y comenten los trabajos de otros equipos.

7. Una vez que la mayoría de sus compañeros(as) haya realizado comentarios a su trabajo, organícense nuevamente con su equipo y elaboren una segunda versión considerando las aportaciones, de tal manera que puedan mejorar su documento.

8. Por último, cada integrante del equipo debe subir la segunda versión del reportede la práctica a la base de datos para que pueda ser evaluado.

7 La fuente de consulta para el video es:

http:/ / www3.scien c e.tamu.edu/ cm se/videoana l y sis/E l asticII.av i

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2.2.4. Ley de la gravitación universal

Práctica 5. Modelo de un sistema de dos partículas

El trabajo final consiste en poner un satélite geoestacionario de un kilogramo de peso en órbita alrededor de la Tierra. Los resultados de esta práctica te servirán para el portafolio de evidencias como parte de la evaluación de la unidad 2, pues lo que apliques te servirá para integrar el proyecto final. Esta práctica es colaborativa por lo que para llevarla a cabo es importante que te organices con el equipo que te asignará tu Facilitador(a).

Mediante el constructor de modelos de un sistema de dos partículas de Tracker:

1. Modelen el movimiento de un satélite orbitando alrededor de la Tierra.Consideren lo siguiente: En el constructor de modelos de Tracker, elijan el modelo de dinámica de

partículas cartesiano. Para una de las partículas: el satélite, anoten cada uno de los valores o

parámetros que describen su movimiento. Utilicen los datos obtenidos en la actividad Cuerpo en movimiento circular.

Para la otra partícula: la Tierra, anoten los parámetros de una partícula en reposo y los datos de la Tierra.

La función de fuerza que utilizarán será la ley de la Gravitación Universal.Obtengan una secuencia de imágenes de su modelo.

Reporten su experiencia de aprendizaje de acuerdo con la estructura textual predeterminada para las prácticas.

2. Nombren a un(a) representante de equipo para que sea el (la) encargado(a) de subir su trabajo a la base de datos. Esperen los comentarios de sus compañeros(as).

3. Lean todas las aportaciones que realicen los demás a su trabajo y ustedes también descarguen y comenten los trabajos de otros equipos.

4. Una vez que la mayoría de sus compañeros(as) haya hecho comentarios a su trabajo, organícense nuevamente con su equipo y elaboren una segunda versión considerando las aportaciones, de tal manera que puedan enriquecer su documento.

5. Por último, cada integrante del equipo debe subir la segunda versión del reporte de la práctica a la base de datos para que pueda ser evaluado.

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2.3.3. Fuerzas conservativas y no conservativas

Práctica. Conservación de energía: péndulo simple

1. Descarga el video Movimiento de un péndulo simple8 que se encuentra en el aula virtual.

2. Modela el movimiento del péndulo con el programa Tracker considerando lo siguiente:

La masa del péndulo es de 305 g y se balancea durante 3 ciclos. Obtén la posición del péndulo con respecto al tiempo. Ubica el origen para hacer un estudio de conservación de energía. Obtén la posición en x y y. Una gráfica de la posición de x contra y te dará la trayectoria del movimiento

del péndulo. Con los valores anteriores, puedes obtener las velocidades verticales y

horizontales. De la misma manera puedes obtener la aceleración. Si aplicas el teorema de Pitágoras a los valores de x y y puedes obtener las

magnitudes de la posición, la velocidad y la aceleración. Con las magnitudes de la velocidad obtienes las energías cinéticas.

Usando la masa del balón, la aceleración de la gravedad y las posiciones verticales, obtén las energías potenciales.

Con la masa del balón y las magnitudes de la velocidad del péndulo, obtén la energía cinética del balón por tiempo.

La energía mecánica la encuentras sumando la energía potencial y la energía cinética.

3. Realiza una gráfica que ilustre la energía cinética, energía potencial y energía total, ésta mostrará que la energía total permanece casi constante, decrece con el tiempo.

4. Explica tus resultados.5. Reporta tu práctica de acuerdo con la estructura textual predeterminada.

8 La fuente de consulta para el video es:http://w w w3. s cience . tamu. e du/cm s e/vid e oanalysi s /pe n dulu m .a v i

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Fuentes de consulta de la unidad:

Brown, D. (2010). Tracker: Free Video Analysis and Modeling Tool for PhysicsEducation. Consultado el 6 de diciembre de 2010 en:http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/

Bryan, J A. Video Analysis Investigations for Physics and Mathematics. Texas, EEUU: Texas A&M University. Consultado el 6 de diciembre de 2010 en: http://w w w3. s cien c e . ta m u.edu/c m se/videoanalysis/