Guia Fisica Vi

EXPERIMENTEMOS CON LA FISICA Física VI.

GUIA GENERAL Competencia: Competencia Comprender los fenómenos Ondulatorios, y Electromagnéticos y sus aplicaciones. Indicadores de Logro: 1. Muestra las causas por las que se produce y las utilidades de la corriente eléctrica relacionándola con los fenómenos de magnetismo. 2. Utiliza los principios de la óptica en experimentos sencillos. 3. Crea experimentos donde demuestra la naturaleza del sonido y las aplicaciones del efecto Doppler. 4. analiza el movimiento periódico y ondulatorio y muestra algunas de sus aplicaciones. Contenidos Programáticos • • • • • • • • • • •

Ondas y Naturaleza de la luz Relatividad y Mecánica Cuántica Electrostática Circuitos Eléctricos Electromagnetismo Ondas Lentes Óptica Sonido y Efecto Doppler Movimiento Armónico Simple Leyes del Péndulo

Recursos: • • • • •

Laboratorios Guías de trabajo Internet Videos Resistencias, condensadores, LED’s, Carros de Juguete y otros

MOVIMIENTO ARMONICO SIMPLE TEORIA Se da cuando hay movimientos que se repiten en cierto tiempo de manera periódica, así por ejemplo el péndulo de un reloj, o el colocar una regla sobre el borde de la mesa, ponerle la mano encima y golpear suavemente la otra punta hará que vibre (oscile) hasta detenerse por completo.

En el caso del péndulo del reloj, el número de veces que pasa por un punto cada segundo se conoce como su frecuencia (F), y el tiempo que tarda en hacer una oscilación (el ir y hasta el otro lado y regresar a donde partió) se llama periodo (T), lo máximo hasta sonde puede llegar el péndulo lo llamaremos Amplitud (A), así mismo también habrá un tiempo (t). lo que se ha estirado en ese tiempo t será la elongación (x) y el movimiento además tendrá una velocidad (v) y una aceleración (a).

FORMULAS

F=

1 T

T=

1 F

X = A·Cos (2·π ·F ·t ) V = −2·π ·F · A·Sen(2·π ·F ·t ) a = −(2·π ·F ) 2 · A·Cos (2·π ·F ·t ) Ejemplo: Una partícula oscila con un m.a.s de 10 cm de amplitud y 5 segundos de periodo, calcule elongación, velocidad y aceleración cuando ha transcurrido la mitad de periodo. Solución: Primero hallamos el tiempo, ya que es la mitad del periodo t = 5 seg / 2 = 2.5 seg A continuación hallamos la frecuencia: F = 1 / 5 seg = 0,2 ciclos/seg Ahora hallamos la elongación:

X = 10·Cos (2·3,1416·0,2·2,5) X = 10·Cos (3,1416) X = 10·( −0,99) X = −9,99cms Repetimos el proceso para la velocidad y la amplitud

V = −2·3,1416·10·Sen(2·3,1416·0,2·2,5) V = −62,83·Sen(3,1416) V = −0.0004cms / seg a = −( 2·3,1416) 2 ·10·Cos (2·3,1416·0,2·2,5) a = −394,78·Cos (3,1416) a = −394,77cms / seg 2 TALLER 1. Una partícula oscila con un m.a.s de 15 cm de amplitud y 2 segundos de periodo, calcule elongación, velocidad y aceleración cuando ha transcurrido un tercio de periodo. 2. Calcula velocidad y elongación de una partícula con m.a.s de 24 cm y 6 segundos de periodo. Cuando han pasado 2,5 segundos. 3. ¿Qué tiempo mínimo debe transcurrir para que una partícula que oscila con m.a.s de 12 cm de amplitud y 4 segundos de periodo alcance una elongación de 8 cm? ¿Qué velocidad lleva en ese instante? 4. ¿Qué tiempo mínimo debe transcurrir para que una partícula que oscila con m.a.s de 0.8 cm de amplitud y 0.2 segundos de periodo alcance una elongación de 0.5 mts? ¿Qué velocidad lleva en dicho instante? 5. En el espacio no se oye ningún sonido ¿a que se debe ese hecho? 6. ¿Por que al meter una cuchara en un vaso con agua y se mira de lado parece que la cuchara se partiera?

ONDAS Y NATURALEZA DE LA LUZ En nuestra vida diaria es común encontrar ondas, el sonido que escuchas en la radio, la televisión que ves, el celular que usas, el microondas en que calientas tu comida… en muchos lados encontraras las ondas. Toda onda necesita de un medio para propagarse, así por ejemplo el sonido de la voz se transmite por el aire, las ondas que genera al dejarse caer una piedra en una piscina viajan por el agua, etc. El movimiento ondulatorio es el proceso por el que se propaga energía (Ojo! Energía y no materia) de un lugar a otro sin transferencia de materia, mediante ondas mecánicas (Las generadas por un objeto) o electromagnéticas por lo general en forma sinuidal. Las ondas se dividen en dos tipos Longitudinales y transversales.

Así mismo dispone de una medida que es la frecuencia (numero de crestas que pasan cada segundo por cierto punto) EXPERIMENTO. Objetivo: Crear una cubeta de ondas, la cual es un instrumento de carácter didáctico que permite estudiar las propiedades de las ondas en dos dimensiones. Materiales: Bandeja o recipiente de vidrio plano de vidrio o plástico transparente Agua Piedras pequeñas Linterna o lámpara Procedimiento: En un cuarto oscuro llena la bandeja más o menos con 3 cm de agua, usa la linterna o lámpara para alumbrarla por la parte inferior y utiliza piedras pequeñas para dejarlas caer en el agua y mira en el techo las ondas generadas, dibuja lo que ves y describe lo que sucede.

¿Que pasa si dejas caer las piedras en los extremos?, ¿y si cambias la altura desde la que dejas caer las piedrecillas? ¿Y si colocas un objeto en medio del agua?

REFLEXION Y REFRACCION DE ONDAS. Se le llama reflexión de onda a que una onda choque con determinado ángulo en una superficie y con ese mismo ángulo salga rebotada hacia otro lado. Un ejemplo muy sencillo lo

podemos ver cada vez que nos miramos en un espejo, la imagen que vemos se forma por el reflejo de los rayos de luz sobre nuestro cuerpo en el espejo. Por el contrario la refracción se da cuando una onda cambia de un medio a otro alterando así el ángulo con el que viaja y su velocidad. El ejemplo de este caso lo vemos cuando metemos una cuchara en un vaso de vidrio, si miramos de lado el vaso veremos que la cuchara parece partida en dos. EJERCICIO Realiza la experiencia de la cuchara en el vaso. Prueba hacer la misma experiencia en alcohol. ¿En que caso se ve mas refractado? INVESTIGA Investiga en que consiste la ley de Snell de la refracción y los índices de refracción para las sustancias más comunes. Realiza tres ejemplos.

NATURALEZA DE LA LUZ Antes de Newton se creía que la luz poseía una velocidad infinita (la prueba era que al encender una lámpara instantáneamente todo se alumbra) sin embargo el Holandés Roemer descubrió que los eclipses de las lunas de Júpiter tardan mas entre mas lejos este nuestro planeta de aquel. Tras varios años de diversos experimentos y pruebas se encontró que la velocidad de la luz no es infinita, sino que posee un valor aproximado de 300.000 Kms / Seg. Tan rápida que puede dar 7 vueltas y media a la tierra en un segundo. Eso explica el por que al prender la luz de la casa se ilumina instantáneamente. También se creía que como la luz era una onda, la luz que provenía de las estrellas viajaba por el espacio a través de una sustancia llamada éter. Hoy en día sabemos que el espacio es vacio y que si la luz viaja es por que esta compuesto de una partícula llamada fotón. Si nosotros vemos los colores, se debe a que la luz viaja con diferentes frecuencias donde las mas bajas corresponden al color azul, y las mas altas a los colores rojos, mas allá de los rojos, están los infrarrojos y las microondas y mas allá del azul esta el ultravioleta (estos no los podemos ver). Estos últimos son muy utilizados en las comunicaciones (los infrarrojos en mouse, teclados, controles para el tv, las microondas en hornos, transmisiones de radio y televisión) INVESTIGA Investiga y dibuja en tu cuaderno los colores del espectro electromagnético y como funciona la luz laser. Investiga por que se forma el arcoíris ¿notas un parecido entre los colores del arcoíris y el espectro electromagnético? EXPERIMENTO Objetivo: Mirar en forma practica el espectro electromagnético utilizando el principio de refracción de la luz solar. Materiales: Bandeja o recipiente plano Agua Espejo mediano Procedimiento:

Coloca una bandeja llena hasta la mitad con agua y un espejo, haciendo que el espejo apunte hacia algún lugar con sombra hasta que se genere la imagen del espectro. Compáralo con los resultados de tu cuaderno.

CORRIENTE ELECTRICA La corriente eléctrica se da por el intercambio de las partículas electrones de un material o medio a otro cargado con partículas positivas La corriente mas fácil de hallar se da por frotamiento y se conoce como estática. A veces pasa que saludamos a alguien de mano o de beso y saltan chispas (por el roce tuyo con tu ropa o las alfombras), o si limpias el polvo con fuerza notaras que el polvo que queda en el aire se pega nuevamente. Puedes hacer 3 divertidos experimentos que te harán comprender como por frotamiento se puede crear interacciones eléctricas: Experimento 1: El esfero pega-papeles Materiales: •

Esfero Kilometrico o Bic de tapa

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Hoja de cuaderno Tela de seda o jean

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Procedimiento: Rompe la hoja en pedazos muy pequeños y déjalos sobre la mesa. Frota el esfero varias veces con la seda o con el jean (puede ser el de tu pantalón) y acércalo a los pedazos de hoja, si todo sale bien, los papeles se pegaran a tu esfero, aunque después de un tiempo corto salen disparados. Experimento 2: El Globo atrae – latas y atrae - cabello Materiales: • • •

Bomba para fiestas Lata de gaseosa o cerveza ya vacía Tela de seda

Procedimiento: Coloca la lata acostada, Infla la bomba, toma la tela y frota la bomba varias veces con ella, acerca la bomba a la lata. Si lo haces bien la lata seguirá a la bomba durante unos momentos. Si vuelves a frotar la bomba y lo acercas al cabello de una persona bien lisa, notaras como este se levanta en dirección a la bomba. Experimento 2: La peinilla atrae – agua Materiales: • • •

Peinilla plástica para el cabello (en su defecto usa el esfero el primer experimento) Baño con lavamanos Tela de seda

Procedimiento:

Abre la llave del lavamanos de forma que caiga un chorro muy fino de agua, frota la peinilla con la tela varias veces y luego acércala al chorro de agua (por supuesto sin dejar que el agua la toque) veras que el chorro de desvía en dirección a la peinilla.

FUENTES DE CORRIENTE ELECTRICA Se le llama fuente de corriente a un dispositivo que permite generar corriente eléctrica, existen muchas formas de proveer corriente eléctrica, entre las cuales están: Procesos químicos Generadores Magnéticos Procesos Termoeléctricos Fotoelectricidad y Paneles Solares

Ejercicio: Creación de Una fuente de corriente usando un limón. Materiales: Limón Clip Moneda de cobre Multimetro o bombillo de 1 voltio Procedimiento Aprieta el limón fuertemente por todos los lados a fin de que el jugo quede en el centro, desdoble el clip e insértelo por un lado del limón de modo que la punta llegue al centro, inserte la moneda por el otro lado coloque las puntas del bombillo o del Multímetro una a la moneda y la otra al clip. Creación de una fuente a través de procesos termoeléctricos Materiales: Una vela Un recipiente Hielo Multímetro Alambre de cobre Procedimiento: Llene el recipiente con agua y coloque el hielo en ella para enfriarla (entre más hielo mejor) encienda la vela y coloque el cable del modo que muestra la figura:

ELECTROLISIS Se conoce como electrolisis al proceso de separar un líquido en sus componentes químicos (en especial agua) a través de corriente eléctrica. Experimento: Materiales: Vaso de plástico Sal Fuente de corriente (pueden ser pilas) Alambre de cobre Procedimiento Divida el cable en 2 pedazos y pele mas o menos 3 cms de punta de cada lado, coloque un extremo a uno de los polos de la pila y el otro extremo al agua del vaso, vera como al cabo de un tiempo en uno de los alambres aparecerán burbujas (Hidrogeno), en el otro aparecerá una sustancia verdosa (Oxido de Cobre)

CIRCUITOS ELECTRICOS LEY DE OHM

I=

V R

ELEMENTOS DE UN CIRCUITO

Recuerda que las resistencias se miden en Ohmios (Ω), el voltaje en Voltios (V) y la intensidad en Amperios (Amp) Circuitos en Serie. Se caracterizan por que la cabeza de cada resistencia se une con la cola de la anterior formando una fila de resistencias:

I = Cons tan te

Rt = R1 + R 2 + R3 + ... Vt = V 1 + V 2 + V 3 + ... Circuitos paralelos

Se caracterizan por que la cabeza de la primera resistencia va unida con la cabeza de la segunda y la cola de la primera va unida con la cola de la segunda.

Rt =

1 1 1 + + ... R1 R 2

It = I1 + I 2 + I 3 + ... V = Cons tan te RELATIVIDAD “Con el descubrimiento de que la velocidad de la luz siempre llevaba la misma velocidad, sin importar en que lugar del universo estuviera, a principios del siglo XX un hombre hasta entonces desconocido, Albert Einstein revoluciono la física con una nueva teoría donde el tiempo y el espacio ya no eran el mismo para todo el mundo, sino que todo dependía de cómo y a que velocidad se estuviera moviendo. A esto se le llamo la teoría de la Relatividad.”. Primera Consecuencia: La energía y la materia son una misma cosa, una se puede transformar en la otra. Esto esta implícito en la formula

E = M C² Donde E es la cantidad de energía, M es la masa de materia y C la velocidad de la luz (300000 Kms/seg). Esta formula es el principio de las centrales nucleares y de la bomba atómica. EJERCICIO. Reemplaza en la formula M por 1 Kg y mira cuanta energía libera un solo kg de materia si se transforma. Cuanta energía generarías si convirtieran toda la materia de la cual estas hecho(a), pruébalo reemplazando M por tu peso. INVESTIGA Investiga acerca de cómo funcionaban las bombas atómicas arrojadas sobre Hiroshima y Nagasaki. Averigua como funciona una central de energía nuclear.

Segunda Consecuencia: El tiempo y el espacio se dilatan mas entre mas cerca este un objeto de la velocidad de la Luz. Una forma de explicar esta consecuencia esta en revisar lo que se conoce como la paradoja de los gemelos, Supongamos que en una familia hay dos hermanos gemelos. Uno de ellos se hace astronauta, coge su nave y la dirige hacia una estrella que se halla de la Tierra a varios años luz. Realiza el viaje a una velocidad cercana a la de la luz. A esa alta velocidad, el tiempo pasa sensiblemente más despacio. Por tanto, en su viaje de ida y vuelta, habrá envejecido menos, y al llegar a la Tierra se encuentra con que su hermano tiene más edad que él, ya se llevaran 5 ,6 20 o quizás mas años dependiendo del tiempo que el astronauta haya viajado. Una buena oportunidad para quedar de la misma edad de tu padre ¡Envíalo en una nave a la velocidad de la luz, hasta que según tus cálculos tenga tu misma edad! Una forma de averiguarlo consiste en usar la formula que se muestra a continuación:

tp =

t v2 1− 2 c

Donde tp, es el tiempo que transcurriría para una persona que se quede en el planeta, t es el tiempo que dura la persona viajando, v es la velocidad a la que va la persona que va viajando y c es la velocidad de la luz, si quisiéramos mirar distancias cambiaríamos tp y t por lp y l. Ejemplo: Un hombre de 32 años se va de viaje en una nave espacial por 3 años, a una velocidad de 290000 Kms / seg, dejando a su hijo de 4 años en casa, ¿Qué edades tendrán cuando el hombre vuelva? t = tiempo que el hombre viaja = 3 años v = velocidad de la nave = 290000 (lo trabajaremos como 290 por cuestión practica) c = velocidad de la luz = 300000 (lo trabajaremos como 300 por cuestión practica)

tp =

tp =

3 290 2 1− 300 2 3 1−

tp = tp =

84100 90000 3

1 − 0.934 3

0.065 3 tp = 0.256 tp = 11.71 Podemos entonces decir que el hombre tendrá 32 + 3 años viajando = 35 años y el niño que tenia 4 años + 11.71 años = 15 años y 8 meses. EJERCICIO. Utiliza la formula de arriba para saber que edades tendrían tu y tu mejor amigo, si te fueras de viaje a 295000 kms / seg por: a. 3 años b. 5 años c. 9 años Tercera Consecuencia: Nada puede viajar mas rápido que la luz por que para ello necesitaría una energía infinita, no obstante si se pudiera se viajaría al futuro o al pasado INVESTIGA. En wikipedia busca los artículos relacionados con: Paradoja del lingote de plata. Problemas de los viajes en el tiempo Cuarta Consecuencia: La gravedad actúa sobre la luz desviándola de curso, debido esto a que la luz es también partícula INVESTIGA. Investiga y realiza un modelo en forma de maqueta de cómo es representado el espacio-tiempo y la gravedad Explica en que consiste un agujero negro y por que es negro.

MECANICA CUANTICA

“Antes del siglo XX se creía que el universo era como una maquina automatizada que se manejaba por ciertas normas o leyes exactas, pero a medida que se descubrían las partículas mas pequeñas de la materia se descubrió que el universo esta gobernado por el azar y que solo podemos determinar probabilidades de lo que puede pasar.” Algunos sabios griegos afirmaban que la materia se podía dividir infinitamente y otros postulaban que debía haber una partícula que era la que formaba todo y esta era indivisible, a esta se le llamo Átomo, los primeros estudios del átomo y la primera propuesta de cómo estaba formado la hizo el científico John Dalton, mas adelante Ernest Rutherford y uno de sus alumnos demostraron que el átomo esta compuesto de una serie de partículas mas pequeñas, electrones, protones y neutrones. En el siglo XX Niels Bohr explico como se movían los electrones en el átomo, pero mas adelante se encontró que existían otras partículas como los fotones y los mesones y que además todas estas partículas estaban divididas en partículas más pequeñas llamadas Quarks. Un científico llamado Werner Heisenberg encontró que si media la velocidad de estas partículas no podía establecer su posición y viceversa, a esto se le llamo el principio de incertidumbre. Este principio hace imposible determinar el comportamiento de las partículas. Las partículas emiten energía no constantemente, sino por paquetes llamados cuantos que requieren de más energía entre más alta sea su frecuencia. A continuación Wolfang Pauli encontró el principio de exclusión que dice que dos partículas no pueden tener la misma velocidad y la misma posición. Primera Consecuencia: Todas las partículas tales como electrones, protones, fotones, mesones y neutrones están formadas por quarks, y estos también pueden formar antielectrones, antiprotones y antineutrones. Existe un cierto número de variedades diferentes de quarks: se cree que hay como mínimo seis flavors ['sabores'], que llamamos up, down, strange, charmed, bottom, y top ['arriba', 'abajo', 'extraño', 'encanto', 'fondo' y 'cima']. Cada flavor puede tener uno de los tres posibles «colores», rojo, verde y azul. (Debe notarse que estos términos son únicamente etiquetas: los quarks son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz visible y, por lo tanto, no poseen ningún color en el sentido normal de la palabra. Se trata solamente de que los físicos modernos parecen tener unas formas más imaginativas de nombrar a las nuevas partículas y fenómenos, ¡ya no se limitan únicamente al griego!) Un protón o un neutrón están constituidos por tres quarks, uno de cada color. Un protón contiene dos quarks up y un quark down; un neutrón contiene dos down y uno up. Se pueden crear partículas constituidas por los otros quarks (strange, charmed, bottom y top), pero todas ellas poseen una masa mucho mayor y decaen muy rápidamente en protones y neutrones. Los antielectrones se aniquilan con los electrones, los antiprotones con los protones, etc. así que si alguna ves te encontraras con un doble tuyo hecho de antipartículas ¡No le des la mano! O los dos desaparecerían en un destello luminoso. INVESTIGA ¿Qué aplicaciones tiene en la vida diaria la mecánica cuántica? Una propiedad de los quarks es el espín ¿Qué es un espín? ¿Qué tipos de espín hay? ¿Cuáles son las 4 fuerzas fundamentales de la naturaleza? EJERCICIO Diseña una cartelera en icopor donde estén los modelos atomicos de J.J Thompson, Ernest Rutherford y Niels Bohr.

EXPERIMENTOS CALEIDOSCOPIO Objetivo: Un caleidoscopio es un tubo que contiene varios espejos, que forman un prisma con su parte reflectante hacia el interior, al extremo de los cuales se encuentran dos láminas traslucidas entre las cuales hay varios objetos de color y forma diferente, cuyas imágenes se ven multiplicadas simétricamente al ir girando el tubo mientras se mira por el extremo opuesto. Dichos espejos pueden estar dispuestos a distintos ángulos, lo que provocara que cambie la cantidad de veces que las piezas en su interior se vean reflejadas. Lo más común es que lleve 3 espejos, pero se puede construir un caleidoscopio con dos, o más de tres espejos para distintos tipos de efectos.

Materiales: Los materiales necesarios para hacer este caleidoscopio son: - 2 CD’s que ya no sirvan - Unas buenas tijeras - Cartulina, un rollo de cartón, o cualquier elemento que pueda convertirse en un tubo rígido - Cinta adhesiva - Pegamento fuerte - Plástico semi-rígido transparente u opaco. - Trocitos de cristales de colores, papelitos de colores o cuentas transparentes de colores. Pasos: Para comenzar se cortan con los 2 CD, de forma tal que se consigan 3 rectángulos (aunque saldrán 4 al recortar los 2 CD). La parte que simula un espejo, lleva una película muy fina, que se desprende con facilidad, hay que tener sumo cuidado que esta película no se salga ya que es necesario que los rectángulos queden a modo de espejo.

Una vez que obtenidas las 3 piezas alargadas que fueron recortadas, las convertís en 3 rectángulos iguales, usando de nuevo las tijeras. Con la cinta adhesiva sujetar los tres rectángulos, haciéndolos formar un prisma triangular, con las caras reflectantes hacia dentro.

Mete el prisma en el tubo de cartón. Si el diámetro del tubo es demasiado grande, con esponja o papel de periódico, ajustarlo para que no se mueva.

Haz un visor para mirar, con un agujero al medio, y dos tapas de plástico transparente (o una transparente y otra translúcida), para el fondo del caleidoscopio. Un CD al cual se le ha quitado la película brillante puede ser muy útil para esto

Por último Fijar la tapa con el agujero, por donde se mira. Y en el fondo (Que debe quedar de 1,5 cm) colocáis pegada al prisma, una de las tapas transparentes (añadir las cuentas de colores en esa cavidad, ni demasiadas, ni pocas). Y justo en el fondo del caleidoscopio, fijar la otra tapa transparente para que se cierre la cavidad de las cuentas de colores (Puede ser también, un papel translúcido o para calcar).

Se puede decorar por fuera con pegatinas o con papel brillante. Ahora basta con Mirar a través del agujero hacia la luz, girándolo poco a poco. Variando la cantidad de espejos o las cuentas y el color de la tapa superior se pueden obtener variados resultados.