OBJETIVOS. Generales:

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1 Código-Materia: FÍSICA Y LABORATORIO Requisito: PRE: Calculo una Variable COR: Espacio de Laboratorio de Física Programa Semestre: Telemática, Sistemas, Industrial, Química y Química Farmacéutica - Tercer Semestre Biología Cuarto Semestre Período académico: Enero a Mayo de 2016 Intensidad semanal: 6 horas semanales (4 horas teóricas, 2 horas prácticas). Créditos: 4 Generales: OBJETIVOS Al finalizar este curso el estudiante estará en capacidad de describir el mundo macroscópico que los rodea, podrá explicar la forma como se mueven los cuerpos y las interacciones más comunes que hay entre ellos y el medio físico en que se desenvuelven. En particular, podrá comprender el funcionamiento de máquinas simples y usar las leyes de conservación para enfrentar situaciones reales o hipotéticas de su entorno, es decir, podrá resolver problemas del mundo mecánico y estará en capacidad aplicar los conceptos teóricos estudiados en la implementación de montajes experimentales en el laboratorio. Terminales: El curso de Física y Laboratorio pertenece al grupo de los cursos básicos de ciencias básicas que todas las carreras de ingeniería y ciencias naturales toman como parte de su formación científica y técnica. Al finalizar el semestre el estudiante estará en capacidad de: Formular las ecuaciones del movimiento de una partícula, identificando el tipo de movimiento. Plantear y resolver problemas de cinemática unidimensional y bidimensional. Aplicar las leyes físicas de la mecánica Newtoniana a casos concretos usando la primera, segunda y tercera Ley de Newton. Comparar los resultados experimentales con la teoría y con hipótesis propuestas en la clase y obtener sus propias conclusiones. Obtener datos experimentales de forma ordenada y sistematizar la información para realizar los análisis respectivos. Realizar el montaje de sistemas sencillos con el fin de encontrar relaciones entre variables y construir las funciones que describen dichos sistemas. Física y Laboratorio 1

2 Específicos De formación académica: UNIDAD 1 Descripción del Movimiento de Partículas Puntuales Al finalizar esta unidad el estudiante podrá usar sus conocimientos de cálculo diferencial e integral y sus conocimientos de algebra lineal (vectores), para describir el movimiento de partículas puntuales en una, dos y tres dimensiones. Habrá construido un formalismo que le permitirá realizar este trabajo, sin memorizar fórmulas. Será un pensador que en forma crítica, utiliza su intuición y se apoya en el formalismo para resolver problemas sobre movimiento de cuerpos. específicos 1. Describir el movimiento en una y dos dimensiones, tratando al objeto como una partícula para conocer su posición, desplazamiento, velocidad y aceleración. 2. Construir e interpretar las diferentes graficas de posición, velocidad y aceleración en función del tiempo. 3. Aplicar correctamente las ecuaciones para los movimientos con aceleración lineal constante. 4. Resolver problemas a nivel vectorial utilizando conceptos de cálculo diferencial, cálculo integral y geometría analítica. PRACTICAS DE LABORATORIO UNIDAD 1 Medida e Incertidumbre (semana1) Reportar correctamente el resultado de una medición dependiendo de la precisión y la exactitud del instrumento utilizado. Establecer la diferencia entre medición directa y medición indirecta Utilizar correctamente un calibrador, una cinta métrica y una regla para medir una longitud. Determinar la relación entre dos magnitudes físicas a partir de la representación gráfica. Propagación de Errores (semana 2) Determinar correctamente la propagación de las incertidumbres en los cálculos. Reportar correctamente el resultado de una medición dependiendo de la precisión y la exactitud del instrumento utilizado. Adquirir datos experimentales confiables asignándoles su incertidumbre absoluta. Elegir adecuadamente un instrumento de medición y un método de medición dependiendo de la magnitud física por medir. Física y Laboratorio 2

3 Medida del periodo de oscilación de un péndulo (semana 3) Aplicar correctamente métodos estadísticos para determinar el resultado de una magnitud física que se ha medido muchas veces y cuyos resultados presentan un error de tipo aleatorio. Reconocer experimentalmente la diferencia entre precisión y exactitud. Usar correctamente una hoja de cálculo (Excel) para realizar un análisis estadístico de datos experimentales. Movimiento Uniforme y uniformemente acelerado (semana 4) Representar gráficamente el movimiento de un objeto. Encontrar la ley que relaciona la posición y el tiempo en el movimiento estudiado. Utilizar correctamente la técnica de linealización en el análisis de los datos del movimiento de un cuerpo para determinar su aceleración. Reportar adecuadamente los resultados de la investigación Movimiento parabólico (semana 5) Determinar experimentalmente la trayectoria seguida por un cuerpo lanzado al aire y compararla con la trayectoria obtenida a partir de las ecuaciones del movimiento. Determinar experimentalmente el efecto de la velocidad y el ángulo de lanzamiento de un proyectil sobre el alcance máximo del mismo. Realizar correctamente un procedimiento de linealización para encontrar la relación entre dos magnitudes físicas. UNIDAD 2 Las Leyes del Movimiento Durante esta unidad el estudiante se apropia del concepto de interacción y aprende a usar las leyes de Newton para describir situaciones de la vida diaria donde actúan las fuerzas más comunes de la naturaleza. específicos 1. Identificar y describir los diferentes tipos de fuerza que actúan sobre un objeto. 2. Aplicar las leyes de Newton para describir el movimiento de traslación o rotación de un objeto considerado como una partícula puntual. 3. Aplicar las leyes de Newton en la solución de problemas en el campo de la dinámica y la estática. PRACTICAS DE LABORATORIO UNIDAD 2 Mesa de Fuerzas (semana 7) Identificar experimentalmente el carácter vectorial de las fuerzas. Física y Laboratorio 3

4 Experimentar el efecto de variar la magnitud y la dirección de las fuerzas aplicadas simultáneamente sobre un cuerpo. Dentro del margen de incertidumbre experimental, determinar experimentalmente la condición de equilibrio para un cuerpo. Ley de Hooke (semana 8) Medir la constante de fuerza de un resorte reportando el resultado con su respectiva incertidumbre absoluta. Determinar experimentalmente la constante de fuerza efectiva para dos resortes que se conectan en paralelo y para dos resortes que se conectan en serie. Diseñar una balanza para la medición de masas en un cierto intervalo y con cierta precisión. Realizar un ajuste lineal por el método de mínimos cuadrados. Segunda Ley de Newton (semana 9) Determinar experimentalmente la relación entre la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo, su masa y la aceleración con la cual se mueve. Proponer arreglos experimentales que minimicen los efectos que dificulten la observación de una relación entre dos magnitudes físicas. Coeficiente de fricción (semana 10) Medir el coeficiente de rozamiento estático entre dos superficies en contacto que se encuentran en reposo por dos métodos diferentes y determinar cual conduce al mejor resultado. Investigar los factores que determinan la fuerza de rozamiento estático entre dos superficies en contacto. Comparar el efecto de la diferencia entre la naturaleza de las superficies en contacto con la magnitud del coeficiente de fricción entre ellas. UNIDAD 3 El Trabajo, La Potencia y La Energía En esta unidad se definen los conceptos de trabajo, potencia y energía. Se establece la diferencia entre fuerzas conservativas y no conservativas y se introduce el teorema de la conservación de la energía como una nueva forma de interpretar y resolver problemas de los sistemas mecánicos. específicos 1. Describir el concepto de trabajo, potencia y energía. 2. Explicar y aplicar el trabajo efectuado por una fuerza constante y por una fuerza variable. 3. Identificar los diferentes tipos de energía y aplicar el teorema de conservación de energía mecánica (incluyendo el trabajo realizado por las fuerzas disipativas) para resolver problemas de dinámica. Física y Laboratorio 4

5 PRACTICAS DE LABORATORIO UNIDAD 3 Conservación de la energía I (semana 11) Medir, a partir de datos de posición y tiempo, la energía cinética y la energía potencial de un cuerpo en caída libre. Elegir un sistema de referencia adecuado para el análisis del movimiento de un cuerpo. Determinar, dentro del margen de incertidumbre experimental, el principio de conservación de la energía mecánica. UNIDAD 4 Moméntum Lineal y Colisiones En esta unidad se estudian los conceptos de impulso de una fuerza, cantidad de movimiento lineal, conservación de la cantidad de movimiento y la relación entre el impulso y la cantidad de movimiento. Se aborda también la aplicación de estos conceptos en las colisiones. específicos 1. Aplicar el concepto de centro de masa, posición, velocidad y aceleración del centro de masa para realizar el estudio de un sistema de partículas interactuantes. 2. Presentar las leyes de conservación de la cantidad de movimiento lineal y aplicarlas en la solución de problemas de la mecánica. 3. Reconocer y estudiar los diferentes tipos de colisiones y aplicarlos en la solución de problemas. PRACTICAS DE LABORATORIO UNIDAD 4 Conservación de la cantidad de movimiento (semana 13) Medir el cambio en la cantidad de movimiento de un objeto y compararlo al impulso que se le ha proporcionado Comparar la fuerza promedio y la fuerza máxima transferida a un cuerpo durante el impulso. UNIDAD 5 La Rotación de los Cuerpos Rígidos y la Cantidad de Movimiento Angular En esta unidad se completa la descripción del movimiento de los cuerpos, ya no serán considerados como partículas, ahora serán extensos y podrán rotar. El moméntum angular aparece como una importante propiedad de los cuerpos y se examinan situaciones donde se conserva esta cantidad. específicos 1. Describir el concepto de movimiento rotacional. 2. Identificar la similitud de las ecuaciones de la dinámica de traslación con las de la dinámica de rotación. 3. Identificar el principio de conservación del momentum angular, como uno de los principios fundamentales de las ciencias físicas. Física y Laboratorio 5

6 4. Calcular correctamente el momento de inercia y el momento de torsión de un cuerpo rígido. 5. Identificar las transformaciones energéticas que ocurren cuando un sólido tiene movimientos combinados de traslación y rotación. PRACTICAS DE LABORATORIO UNIDAD 5 Medición del Momento de Inercia de un Cuerpo Sólido (Semana 14) Estudiar experimentalmente el movimiento de rotación de un sólido y medir de manera indirecta su momento de inercia. Comparar la medición del momento de inercia a partir del uso de las leyes de Newton y la cinemática con el uso del principio de la conservación de la energía. Conservación de la Energía II: Rotación y Traslación conjuntas (Semana 15) Determinar los efectos de la rotación y traslación conjuntas sobre la cinemática de un cuerpo sólido. Verificar con la práctica el significado del momento de inercia de un cuerpo rígido en torno a un eje y su relación con la energía cinética rotacional. Momento Angular (Semana 16) Determinar experimentalmente el efecto del torque total sobre un cuerpo sobre su movimiento rotacional. Encontrar la relación entre momento angular y el momento de inercia de un cuerpo rígido. De formación en valores y capacidades: Durante el desarrollo de este curso, el estudiante tendrá la oportunidad de resolver muchos problemas. Solucionar problemas ayuda a construir un pensamiento crítico, a utilizar información anterior para enfrentar situaciones desconocidas y se aprende a valorar y tomar en cuentas las ideas y propuestas de otros. La búsqueda de diferentes formas de solucionar un mismo problema nos puede ayudar a valorar y buscar formas de pensamiento divergentes dentro del grupo. METODOLOGÍA El desarrollo metodológico del curso incluirá un componente teórico y otro de carácter práctico. Para el logro de las metas planteadas en el componente teórico, el profesor presentará el tema de la unidad y los objetivos de aprendizaje a alcanzar, el estudiante debe, de acuerdo a la pauta planteada, estudiar previamente los temas de cada unidad, los materiales, ejemplos y problemas indicados. Estos se convertirán en la guía de trabajo para que el profesor pueda resolver las inquietudes y facilitar los medios para una adecuada apropiación y comprensión de los temas planteados. Física y Laboratorio 6

7 Es de gran importancia que el estudiante se comprometa a preparar previamente el material de estudio, ya que durante las clases profesor y estudiantes profundizarán en los temas asignados. El profesor tendrá especial cuidado en indicar a los estudiantes los principios usados para solucionar los problemas y se asegurará de que todos los integrantes del grupo comprenden estos principios. Al finalizar la clase el profesor propondrá a los estudiantes problemas adicionales y nuevas actividades que aseguren la comprensión y manejo de los temas. Para el componente práctico, el estudiante debe con anterioridad preparar la guía de laboratorio que presenta aspectos teóricos relacionados con el contenido de las prácticas. El profesor de laboratorio realizará un control de lectura sobre el material preparado y luego serán explicados los alcances de la práctica y los arreglos experimentales que se usarán en cada reunión. Durante la práctica los estudiantes estarán acompañados por el profesor quien responderá preguntas o indicará la forma correcta de utilizar los equipos o tomar las medidas. Los estudiantes trabajaran en equipos de hasta 4 personas, que deben tomar las medidas de acuerdo a lo indicado por la guía para la práctica y realizar las observaciones correspondientes que les permitirán luego construir un informe. Los estudiantes deben entregar informes de laboratorio de acuerdo al criterio del profesor de laboratorio, ya que todas las prácticas no generaran informe, pero si un análisis de datos que se entregará al finalizar cada clase. El profesor de laboratorio califica los informes y realizará una retroalimentación indicando las correcciones correspondientes a cada grupo. Las guías se encuentran en: ftp://ftp.icesi.edu.co/pub/lab-fisica Actividades del estudiante Antes de la clase: Antes de la clase el estudiante debe traer preparado el material sugerido por el docente. Leer la teoría del texto guía sobre los temas que se discutirán en la clase precedente para así despejar dudas que se presenten sobre los temas estudiados. Durante la clase: Durante la clase, el estudiante plantea las dudas que trae acerca de los temas que prepara por fuera de clase, de tal forma que se abre un espacio de discusión, donde se aclaran los conceptos y los problemas donde se tiene falencias y a partir de la retroalimentación positiva se logran los objetivos de aprendizaje. Después de la clase: Se proponen talleres y ejercicios para resolver por fuera de la clase, de tal forma que el estudiante haya comprendido y alcanzado los objetivos propuestos de la clase presencial. También se Física y Laboratorio 7

8 proponen lecturas sobre la parte conceptual y física del tema a tratar en la clase siguiente. El estudiante tiene el deber de realizar los talleres y preparar las lecturas sugeridas. EVALUACIÓN COMPONENTE TEÓRICA Exámenes Porcentaje Módulos a Semana de realización Evaluar Parcial I 20% 1 Semana 4 Parcial II 20% 2 Semana 7 Parcial III 20% 3 y 4 Semana 13 Prof. Hernan G.Triana Grupos 3 y 7 Mayo 16 Grupo 9 Mayo 18 Hora: la misma de clase Examen Final 20% 1,2,3,4 y5 Prof.Maria E. Fernández L. Grupos 5 y 11 Mayo 19 Hora: 9:00-11:00 Prof. Gustavo Murillo Mayo 18 (miércoles) Hora: 14:00-16:00 Controles de lectura, quices, ejercicios en clase, tareas, 20% talleres y demás actividades propuestas por el docente. Total 100% Dependiendo del avance en cada clase. Durante todo el semestre sin previo aviso. Recomendaciones Ser puntual. Traer calculadora científica a todas las clases. Realizar las tareas, investigaciones y problemas propuestos. Evite utilizar Smart phone, tableta, computador personal y demás dispositivos electrónicos que entorpecen el buen desarrollo de la clase. Observaciones No se toma asistencia, por lo tanto el curso no se pierde por faltas. No se eliminan quices ni controles. Física y Laboratorio 8

9 Los controles se realizan sin previo aviso. El desarrollo de los problemas debe ser claro y ordenado, es decir, cualquiera de sus compañeros puede comprender como desarrolló usted su ejercicio. COMPONENTE EXPERIMENTAL La evaluación del Laboratorio incluye: I) Calificación de los informes de laboratorio, talleres y demás actividades propuestas por el docente presentados con puntualidad y sólo si el estudiante ha asistido a la práctica. II) Calificación del control de lectura para la preparación de las prácticas. III) Asistencia, el componente experimental es presencial por lo tanto puede perderse por faltas. Si el estudiante no obtiene una nota de 3.0 ó superior en la componente teórica, el laboratorio no se tendrá en cuenta para la nota definitiva, dando como resultado la perdida de la materia. Si el estudiante obtiene una nota de 3.0 o superior a ésta en la componente teórica, los porcentajes para obtener la nota definitiva son los siguientes: Componente Teórica 75% Prácticas de Laboratorio 25% Total 100% BIBLIOGRAFÍA Libro Guía Física para Ingeniería y Ciencias, Volumen I, Wolfgang Bauer., Gary D. Westfall., Mc Graw Hill. Textos de Apoyo 1. Fundamentos de física Javier Marín Serie textos universitarios Icesi 3. Física Universitaria Vol. I (Novena Edición) Sears. Zemansky. Joung Freedman. Addison Wesley Longman Física Vol. I. La Naturaleza de las cosas Lea Burke International Thomson Editores Física para ciencia e ingeniería Vol. I. Serway Jewett CENCAGE Learning septima edición Física y Laboratorio 9

10 UNIDAD SESION CONTENIDO TRABAJO PREVIO A CLASE 1 Descripción del Movimiento de Partículas Puntuales 2 Las Leyes del Movimiento 1 Física como una ciencia. Física vs otras disciplinas 1.1 a 1.3 EJERCICIOS A REALIZAR Preguntas: 1.11, 1.19 Problemas: 1.29,1.30, 1.31, 2 Valor formativo de la Física. Lenguaje común vs lenguaje de la ciencia. 1.4 a 1.6 Problemas: 1.49, 1.59,1.64, 1.71, Cinemática (introducción). Posición, desplazamiento y distancia. 2.1 a , 2.12, 2.29, 2.34 Velocidad media, velocidad instantánea y rapidez. 4 Vector aceleración. Ecuaciones de la 2.38, 2.39, 2.41, 2.42, cinemática usando el cálculo 2.4 a diferencial. 5 Movimiento con aceleración 2.7 y , 2.64,2.73, 2.76 constante. 6 Movimiento en dos dimensiones: 3.17, 3.23, 3.33, 3.38, Vector posición, vector de 4.1 a 3.4 y 9.1 a , 9.31 desplazamiento, movimiento de proyectiles 7 Movimiento en dos dimensiones: 9.32, 9.33, 9.38, 9.40, movimiento circular. 3.5 y Taller de solución de dudas Solucionar ejercicios previos 9 EXAMEN UNIDAD 1 10 Fuerzas. 4.2, 4.3, 4.4, 4.6, a Leyes de Newton. Cuerdas y poleas. 4.31, 4.40, 4.44, 4.47 Ejemplos 4.4 a 4.5. Laboratorio Medida e incertidumbre Propagación de errores Medida del periodo de oscilación de un péndulo Movimiento Uniforme y Uniformemente Acelerado Movimiento parabólico 12 Aplicaciones de las leyes de newton 4.60, 4.61, 4.66, 4.70 Retroalimentación: corrección Física y Laboratorio 10

11 3 El trabajo, la potencia y la energía 4 Momentum lineal y colisiones 13 Fuerza de fricción y aplicaciones. Movimiento circular Fuerza centrípeta 14 Taller de solución de dudas. Preparar ejercicios previos 15 EXAMEN UNIDAD 2 16 Energía cinética, trabajo, trabajo realizado por una fuerza constante 5.1 a Trabajo realizado por una fuerza variable. 5.5 a 5.7 Potencia. 18 Energía potencial. Fuerzas conservativas y no conservativas. Trabajo y energía potencial 19 Energía potencial y fuerza. Conservación de la energía mecánica. Trabajo y energía para la fuerza de un resorte. 20 Fuerzas no conservativas y el teorema del trabajo y la energía. Energía potencial y estabilidad. 4.6 de informes de laboratorio 4.87,4.88, 9.46, 9.50, 4.7 a a 9.8. ejemplo 9.8 problema resuelto a a y , 5.24, 5.28, , 5.35, 5.38, 5.43, , 6.28,6.30, 6.31, , 6.37, 6.43, , 6.52, 6.57, 6.64, Taller ejercicios del módulo Preparar ejercicios previos 22 Momentum lineal.impulso, 7.21, 7.23, 7.26, 7.27, conservación del momentum lineal. 7.1 a Colisiones elásticas en una, dos y tres 7.34, 7.42, 7.45,7.50, dimensiones. 7.4 y Colisiones total y parcialmente 7.57, 7.62, 7.74, 7.76 inelásticas. Ejemplos. 7.6 a Centro de masa y centro de gravedad. 8.13, 8.22,8.26,8.28 Mesa de fuerzas Ley de Hooke Segunda ley de Newton Coeficiente de fricción Conservación de la energía I Retroalimentación: corrección de informes de laboratorio Física y Laboratorio 11

12 5 La Rotación de Cuerpos Rígidos y la cantidad movimiento angular Momento del centro de masa. 8.1 y Cálculo del centro de masa Taller de solución de dudas Revisar ejercicios previos 28 EXAMEN UNIDAD 3 y 4 29 Energía cinética rotacional. Momento de inercia 30 Momento de torsión. Segunda ley de Newton para la rotación. Trabajo de un momento de torsión 31 Momento angular. Precesión. Equilibrio estático 10.1 a a ,10.8 y 11.1 a taller Preparar ejercicios previos Exámenes Finales EXAMEN FINAL 8.46, 8.48,8.54, , 10.34,10.38, ,10.44,10.45,10. 47, 10.52, 10.58, 10.61, 10.63,10.64, 11.25, 11.35,11.50, Conservación de la cantidad de movimiento Medición del momento de inercia de un cuerpo sólido Conservación de la Energía II: Traslación y rotación conjuntas Espacio para prácticas pendientes o solución de dudas finales. Física y Laboratorio 12