EXPERIMENTOS DE FÍSICA – Usando las TIC y elementos de bajo costo

El objetivo de este libro es presentar un conjunto de experimentos de física que, haciendo uso de las nuevas Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC), resalten los aspectos metodológicos de la física y de las ciencias en general. Los experimentos están orientados a estudiantes universitarios de ciencia e ingeniería, aunque algunos pueden ser usados en escuelas secundarias.

Los proyectos propuestos apuntan a que los estudiantes puedan responder las preguntas “¿Cómo sabemos esto?” y “¿Por qué creemos en aquello?”, que ilustran la naturaleza del pensamiento científico.

Los experimentos propuestos están organizados alrededor de temas relacionados con: Metodología y Metrología, Mecánica, Electromagnetismo, Termodinámica, Óptica, Física moderna y Astrofísica.

Ventaja competitiva:

• En cada uno de los capítulos se van desarrollando ejemplos que aclaran la comprensión y motivan la lectura.
• Aprender cómo dirigir y delegar son las grandes aportaciones de este manual para directivos.

Conozca:

• Los principios de la Física que permiten comprender la naturaleza de algunos fenómenos vistosos, atractivos e interesantes que aparecen en el libro.

Aprenda:

• Experimentos amenos e instructivos que podremos realizar con una computadora, teléfono celular, cámara de fotos, un diapasón, probetas, balanzas digitales y otros elementos de bajo costo y fáciles de conseguir.
• Principios de esta ciencia a partir de la observación de fenómenos producidos en un laboratorio y la deducción de fórmulas generales a partir del estudio de casos particulares.

Aplique:

• Los principios de la Fisica y el método científico en la realización de experimentos divertidos, a veces asombrosos y siempre instructivos, de los cuales obtendremos en todos los casos valiosas conclusiones.

Contenido
Prefacio VII
Objetivo del libro VII
Cómo usar este libro VIII
A mis colegas XI
Encuadre filosófico XI
Enfoque pedagógico adoptado en este libro XII
Aprendizaje por inmersión en la física XII
Agradecimientos XV
Capítulo 1
Rol del laboratorio en el aprendizaje de las ciencias 1
11 ¿Por qué hacemos experimentos? 2
12 Redacción de informes de laboratorio 5
13 Seguridad en el laboratorio5
Referencias 6
Capítulo 2
Introducción al análisis gráfico 7
21 Representación gráfica de resultados 8
22 Elección de las variables 10
23 Relación lineal 10
24 Relación potencial 10
25 Relación exponencial 13
26 Transformación de variables – pseudovariables 15
27 Sugerencias para generar gráficos 15
Ejercicios y problemas 17
Referencias 21
Capítulo 3
Actividades de análisis gráfico 23
31 Leyes de escala 24
32 Análisis de resultados experimentales 26
Referencias 37
Capítulo 4
Errores de medición – Incertidumbre del resultado
de una medición 39
41 Introducción 40
42 Sensibilidad, precisión y exactitud 43
43 Fuente de errores 44
431 Errores introducidos por el instrumento 44
44 Clasificación de los errores45
45 Cifras significativas46
46 Determinación de los errores de medición 47
47 Nonio, vernier o calibre 48
Ejercicios y problemas 50
Referencias 52

Capítulo 5
Tratamiento estadístico de datos 53
51 Introducción 54
52 Histogramas y distribución estadística 54
53 Parámetros de localización de una distribución 56
54 Parámetros estadísticos de dispersión- desviación
estándar 58
541 Distribución normal o gaussiana58
55 Magnitud que se mide N veces 59
56 Número óptimo de mediciones 61
561 Decálogo práctico62
57 Combinación de mediciones independientes 62
58 Discrepancia 63
Ejercicios y problemas 65
Histogramas 66
Objetivo 66
Introducción 66
Referencias 67
Capítulo 6
Mediciones indirectas 69
61 Introducción – Propagación de incertidumbres 70
62 Truncamiento de números 72
63 Elección de los instrumentos 73
64 Propagación de incertidumbres con variables
correlacionadas 74
Ejercicios y problemas 76
Referencias 78
Capítulo 7
Métodos cuantitativos y regresión lineal 79
71 Métodos cuantitativos y regresión lineal80
711 Correlación y causalidad 84
712 Incerteza en los parámetros de ajuste 84
713 La navaja de Occam o criterio de parsimonia 85
Ejercicios y problemas 88
Referencias 91
Capítulo 8
Experimentos simples de metrología y análisis de
datos. I – Medición de densidades 93
81 Principio de Arquímedes 94
82 Viaje al interior de la Tierra 98
Referencias 100
Capítulo 9
Experimentos introductorios de mecánica  101
91 Introducción 102
92 Experimento de caída libre: Física aristotélica 105
93 Experimento106

Anexo A Ecuación de movimiento del péndulo
simple 112
Referencias 114
Capítulo 10
La cámara digital como instrumento de medición
en el laboratorio 115
101 Introducción 116
102 Formas geométricas formadas por la sombra de
una lámpara 119
103 Fuerza viscosa en el aire 122
Anexo A Régimen laminar y turbulento 128
Anexo B Movimiento de caída en un medio fluido
con roce proporcional a v2 130
Referencias 131
Capítulo 11
La tarjeta de sonido de una PC como instrumento
de medición 133
111 Tarjeta de sonido de las computadoras personales 134
112 Ondas sonoras 137
113 Actividad 140
Referencias 142
Capítulo 12
Medir el Sistema Solar desde el aula 143
121 Introducción 144
Anexo A Trayectoria de un rayo de luz en la
atmósfera 159
Anexo B Períodos de la Luna 160
Referencias 162
Capítulo 13
Sistemas elásticos – Ley de Hooke 163
131 Ley de Hooke 164
Referencias 168
Capítulo 14
Leyes de Newton y fuerza de rozamiento 169
141 Fuerza de roce seco de Coulomb 170
Anexo A Estudio del movimiento del sistema
de dos cuerpos con roce seco 173
Referencias 174
Capítulo 15
Oscilaciones libres y amortiguadas 175
151 Introducción 176
152 Oscilaciones libres 176
153 Oscilaciones amortiguadas 177
Anexo A Caso de fuerzas de roce dependiente del
cuadrado de la velocidad – Roce turbulento 181

Oscilador armónico con fuerza de roce turbulento  182
Referencias 184
Capítulo 16
Péndulos físicos  185
161 Introducción 186
1611 Período para pequeñas amplitudes  187
1612 Ejercicios preliminares  188
1622 Péndulo no intuitivo 189
1621 Ejercicios preliminares  190
1623 Péndulo reversible de Kater 191
Anexo A Período de un péndulo simple para
grandes amplitudes 194
Referencias 195
Capítulo 17
Péndulo cicloidal – Braquistócrona y tautócrona  197
171 Introducción 198
172 Evolutas e involutas 200
173 Arreglo experimental 201
Referencias 205
Capítulo 18
Oscilaciones forzadas – Resonancia  207
181 Introducción 208
Referencias 213
Capítulo 19
Cadenas colgantes – Catenarias y parábolas  215
191 Introducción 216
1911 Ejercicios preliminares 219
Referencias 221
Capítulo 20
Propiedades elásticas de los materiales – Módulo
de rigidez – Flexión de barras 223
201 Propiedades eléctricas de los materiales 224
202 Flexión de barras – Teoría de Euler-Bernoulli 228
2021  Barra empotrada con un extremo libre  229
2022 Viga de peso despreciable empotrada con
un extremo libre que sostiene un peso P  229
2023 Viga con carga distribuida uniformemente
y empotrada un extremo libre  231
203  Vibraciones de una barra 231
2031  Vibraciones de una barra con un
extremo libre  232
2032  Vibraciones de una barra con ambos
extremos libres  233
Anexo A 238
Anexo B Momentos areales para distintas
secciones transversales 239
Referencias 240

Capítulo 21
Dinámica de una cadena en movimiento 241
211 Cadena colgante del borde de una mesa o a
través de un tubo 242
212 Cadena en caída vertical – Estudio del
movimiento de un saltador bungee 245
Referencias 250
Capítulo 22
Sistemas mecánicos de masa variable-Materiales
granulares  251
221 Materiales granulares 252
222 Flujo de materiales granulares 252
223 Divertimento: Experimento de la taza y
la llave 259
Anexo A Máquina de Atwood con masas
constantes 262
Anexo B Máquina de Atwood con masa variable 263
Anexo C Oscilador de masa variable 265
Referencias 269
Capítulo 23
Estabilidad de las rotaciones – Una paradoja
divertida  271
231 Introducción 272
232 Modelo simplificado- Sistemas rotantes no
inerciales 273
233 Arreglo experimental 275
Anexo A Descripción teórica de una barra
en rotación 277
Referencias 279
Capítulo 24
Circuitos simples de corriente –Ley de Ohm 281
241 Dependencia de la corriente con la tensiónLey de Ohm282
242 Construcción de un divisor de tensión 283
Ejercicio preliminar:  285
243 Curva V-I usando un sistema de adquisición
conectado a una PC 287
244 Entradas en modo común y diferenciales 288
245 Circuitos equivalentes de una fuente –
Teoremas de Thévenin y Norton 290
Anexo A Resistencia interna de voltímetros y
amperímetros 292
Referencias 294
Capítulo 25
Redes de resistencias295
251 Introducción 296

252 Redes de resistencias en 1D – Relación de
Fibonacci 296
253 Redes de resistencias en 2D 298
2531 Modelo teórico  299
Referencias 300
Capítulo 26
Puente de Wheatstone 301
261 Introducción 302
262 Puente de hilo 306
2621 Precisión del puente de hilo  307
2622  Incertidumbres en las mediciones con
puente de hilo  307
Preguntas de evaluación 308
Referencias 309
Capítulo 27
Medición de resistencias a cuatro puntas
o método de Kelvin  311
271 Determinación de resistencias de bajo valor 312
272 Método de las cuatro puntas o método
de Kelvin 312
273 Medición de la resistividad de una muestra
de geometría simple-caso 1D 315
274 Determinación de la resistividad de una muestra
bidimensional 316
275 Método de van der Pauw- Transresistencias –
Muestra plana 319
276 Muestra tridimensional grande, método de
Wenner 321
Referencias 322
Capítulo 28
Variación de la resistencia eléctrica con la
temperatura. 325
281 Introducción 326
282 Modelo simple de conducción en sólidos 326
Preguntas 330
Anexo A Modelo simple de conducción en
semiconductores 330
Referencias 331
Capítulo 29
Conducción en líquidos – Estimación de la carga
del electrón.  333
291 Modelo simple de conducción en líquidos –
Electrólisis 334
Referencias 337

Capítulo 30
Condensadores y dieléctricos 339
301 Introducción 340
302 Capacímetros 341
Referencias 345
Capítulo 31
Circuito RC347
311 Circuito RC 348
312 Circuito RC excitado – Respuesta forzada 354
Anexo A Determinación de la diferencia de fases
entre dos señales 355
Referencias 357
Capítulo 32
Fuerza de Lorentz y Ley de Ampère 359
321 Fuerza entre dos espiras circulares 360
Referencias 363
Capítulo 33
Ley de Ampère y de Biot-Savart 365
331 Introducción 366
332 Sensor de efecto Hall 369
Referencias 374
Capítulo 34
Ley de inducción de Faraday – Inducción mutua ���375
341 Introducción 376
Referencias 384
Capítulo 35
Autoinducción y circuito RL 385
351 Introducción 386
352 Autoinducción 386
353 Circuito RL – Respuesta transitoria 388
354 Circuito RL conectado a una fuente alterna 390
Estimación del valor de la autoinductancia de una
espira circular  392
Anexo A Estimación del valor de la autoinductancia
de una bobina 391
Referencias 392
Capítulo 36
Física de la caída de un imán permanente por un tubo 393
361 Introducción 394
362 Oscilación de un imán permanente en un
campo uniforme 394
363 Determinación del momento magnético de un
imán permanente 395
364 Pulsos inducidos por un imán al atravesar una
espira 397

365 Caída de un imán por un tubo conductor 400
Referencias 403
Capítulo 37
Campos y potenciales electrostáticos – Ecuación
de Laplace 405
371 Introducción 406
372 Resolución numérica de la ecuación de Laplace,
método de relajación 409
373 Condiciones de borde de Dirichlet y Neumann 410
Preguntas 413
Referencias 414
Capítulo 38
Oscilaciones libres y forzadas de un circuito RLC 415
381 Oscilaciones libres 416
382 Diagrama de fase 417
383 Oscilaciones forzadas 418
384 Reactancias e impedancias complejas 420
385  Sistemas lineales 424
Referencias 427
Capítulo 39
Circuitos acoplados 429
39 1 Oscilaciones acopladas: Circuitos RLC
acoplados libres 430
392  Circuitos RLC acoplados forzados 432
Referencias 442
Capítulo 40
Corrientes de Foucault o corrientes parásitas –
Campos cuasiestacionarios en conductores 445
401 Introducción 446
402  Campos electromagnéticos
cuasiestacionarios en conductores 446
403 Apantallamiento electromagnético – Simetría
cilíndrica 448
404 Efecto piel o pelicular 456
Anexo A Teoría del efecto piel o pelicular 463
Anexo B Funciones de Bessel 465
Referencias 466
Capítulo 41
Ondas estacionarias en una dimensión 467
411 Ondas estacionarias en una cuerda 468
412 Ondas estacionarias en tubos (Tubo de Kuntz) 470
Anexo A Accionador mecánico de frecuencia
variable 475
Anexo B Ondas de presión 476
Referencias 477

Capítulo 42
Interferencia de ondas acústicas – Batido 479
421 Principio de superposición 480
422 Batido 480
Referencias 484
Capítulo 43
Caja cuadrada – Resonadores de Helmholtz 485
431 Ondas estacionarias en una caja cuadrada 486
432 Resonancia de una botella – Resonador de
Helmholtz 489
Referencias 493
Capítulo 44
Ondas de ultrasonidos 495
441 Ultrasonido 496
442 Par ultrasónico 497
443 Propiedades físicas de las ondas de ultrasonido 498
Reflexión de ondas  499
Referencias 501
Capítulo 45
Efecto Doppler 503
451 Efecto Doppler – Introducción 504
452 Fuente en movimiento circular 506
Referencias 511
Capítulo 46
Experimentos de óptica geométrica 513
461 Óptica geométrica- Leyes de la reflexión y
refracción 514
462 Lentes delgadas 517
Referencias 523
Capítulo 47
Experimentos de óptica física 525
471 Difracción e interferencia de la luz La luz
como fenómeno ondulatorio 526
472 Determinación de intensidad de un patrón 530
473 Polarización – Ley de Malus 533
Referencias 535
Capítulo 48
Tensión superficial 537
481 Fuerzas de cohesión y adhesión 538
482 Ascenso capilar 539
Referencias 545
Capítulo 49
Experimentos con fluidos – Experimento de
Torricelli 547

491 Fluidos ideales y teorema de Bernoulli 548
492 Fluidos viscosos 548
493 Experimento de Torricelli 551
Anexo A Tiempo de evacuación de un recipiente 557
Anexo B Vena contracta 558
Anexo C Teorema de Torricelli, modelo teórico 559
Referencias 562
Capítulo 50
Termometría – Sensores de temperatura 563
501 Termómetros – Sensores de temperatura 564
Referencias 570
Capítulo 51
Dilatación térmica de sólidos 571
511 Dilatación térmica 572
Referencias 574
Capítulo 52
Experimentos de enfriamiento de un cuerpo –
Decaimiento exponencial 575
521 Propagación del calor 576
522 Enfriamiento de un cuerpo 576
Referencias 580
Capítulo 53
Conservación de la energía y calorimetría 581
531 Conservación de la energía – Primer Principio
de la Termodinámica 582
532 Equivalente en agua del calorímetro 583
533 Transiciones de fases 587
Referencias 593
Capítulo 54
Gases ideales – Determinación del peso molecular 595
541 Gases ideales 596
Referencias 602
Capítulo 55
Teoría cinética de los gases – Relación de calores
específicos para gases ideales 603
551 Teoría cinética y capacidad calorífica de gases
ideales 604
552 Experimento de Clement-Desormes 605
553 Experimento de Rüchardt 608
Referencias 613
Capítulo 56
Conducción y convección térmica – Ondas de
calor 615
561 Temperaturas del pasado 616

562 Transmisión de calor 618
563 Ondas de calor en una dimensión 620
5631 Modelo I  620
5632  Ondas térmicas Modelo II (tema
opcional)  624
564 Barra con enfriamiento lateral – Convección 629
Anexo A Propiedades térmicas de materiales 632
Referencias 633
Capítulo 57
Difusión 635
571 Leyes de Fick de la difusión 636
572 Difusión en una y dos dimensiones 637
573 Difusión en agua 638
Referencias 642
Capítulo 58
Experimento de Michelson 643
581 El interferómetro de Michelson 644
Referencias 650
Capítulo 59
Materiales ferromagnéticos – Transiciones de fase 651
591 Materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos 652
592 Curva de histéresis 653
593 Determinación de la curva de histéresis 654
Anexo A Número de vueltas de las bobinas del toroide659
Anexo B Circuito integrador 660
Referencias 661
Capítulo 60
Naturaleza estadística del decaimiento radioactivo 663
601 Decaimientos radioactivos 664
602 La distribución de Poisson 664
Referencias 667
Capítulo 61
Dinámica relativista – Colisiones de fotones y
electrones – Efecto Compton 669
611 Cinemática relativista 670
612 Interacción de la radiación con la materia
Efecto Compton 671
613 Mecanismos de interacción de fotones en un
detector de rayos gamma 673
Referencias 678
Capítulo 62
Interacción de la radiación electromagnética
con la materia 679
621 Pasaje de la radiación electromagnética por la
materia 680

622 Coeficientes de absorción – Áreas de fotopicos 681
Referencias 685
Capítulo 63
Vida media del 40K – Nucleosíntesis687
631 Nucleosíntesis 688
632 Espectroscopía de rayos gamma 690
633 Eficiencia de un detector de rayos gamma 690
634 Determinación de vidas medias largas 691
Referencias 694
Capítulo 64
Determinación de la banda de energía prohibida
de semiconductores 695
641 Banda de energía prohibida de semiconductores 696
642 Diodos semiconductores 696
Referencias 700
Capítulo 65
Capacidad calorífica de un sólido a bajas
temperaturas – Modelos de Einstein y de Debye 701
651 Capacidad calorífica de un sólido a bajas
temperaturas 702
652 Efecto Leidenfrost 708
Referencias 710
Capítulo 66
Estimación de la constante solar, la luminosidad
del Sol y la atenuación de la luz en la atmósfera 711
661 La luminosidad del Sol y la constante solar 712
662 Extinción de la luz en la atmósfera 713
663 Determinación de la irradiancia solar 716
664 Calefacción de una placa expuesta al Sol 719
665 Máxima distancia de visibilidad en el aire,
turbidez 722
Anexo A Fotómetros 726
Calibración  727
Referencias 728
Apéndice A
Pautas y sugerencias para la redacción de informes
científico – técnicos 729
A1 Introducción730
A2 Organización del informe – Formato 731
Encabezamiento del informe  731
Cuerpo del informe  731
A3 Comentarios adicionales 734
Ejemplo de informe técnico 736
Resumen  736
Introducción  736
Materiales y método, descripción del experimento  736

Resultados y discusión  736
Conclusiones  737
Referencias 737
Apéndice B
Normas y recomendaciones de seguridad en los
laboratorios 739
B1 Introducción 740
B2 Recomendaciones generales 740
B3 Cuidados y recomendaciones personales 740
B4 Recomendaciones generales para el uso de
un láser 741
B5 Recomendaciones generales para usar líquidos
criogénicos 741
B6 Normas generales para usar productos
químicos 742
B7 Normas generales para usar sustancias
radiactivas 742
Referencias 743
Apéndice C
Correlación lineal – Significación de parámetros 745

C1 Regresión lineal – Datos con errores746
C2 Significación estadística de parámetros de
un ajuste 749
Referencias 750
Apéndice D
Método de cuadrados mínimos – Caso no lineal 751
D1 Método de cuadrados mínimos en relaciones no
lineales 752
D2 Estimación de las incertidumbres de los
parámetros del modelo 753
D3 Simulación de resultados experimentales –
Método de Montecarlo 754
Referencias 755
Apéndice E
Lock-in amplifier757
E1 El lock-in amplifier 758
Referencias 761
Índice temático 763