Laboratorios de Física Universitaria I y II. FISI 3013 y FISI 3014

Transcripción

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3 Laboratorios de Física Universitaria I y II. FISI 3013 y FISI 3014 INICIO DE DATASTUDIO Introducción El programa de Data Studio 1.7, es una aplicación que funciona con la interfaz modelo 750 de Pasco la cual utilizaremos para nuestros experimentos. DataStudio provee herramientas para procesar datos experimentales como: regresión lineal, manejo de ecuaciones y su representación gráfica, promedios, etc. Todo esto, con el propósito de alcanzar mejores resultados utilizando el laboratorio como auxiliar de la enseñanza. Con la ayuda de la interfaz podemos hacer, además, una gran cantidad de experimentos que ilustran los conceptos fundamentales de la física y otras ramas de la ciencia, ya que permite tomar datos con los sensores adecuados conectados a ella y proveer señales diversas de voltaje PRECAUCION: Es importante asegurarse de que la interfaz esté encendida antes de encender la computadora, de lo contrario las instrucciones que ofrecemos a continuación no conducen a los resultados esperados. La interfaz enciende accionado un botón en su parte posterior. Si está encendida aparece una pequeña luz verde en el lado izquierdo al frente de ella ADVERTENCIA: Debemos distinguir la interfaz a la que nos hemos referido hasta ahora, que es una caja de color negro colocada sobre la computadora, o al lado de esta, y la interfaz virtual, o imagen de esa caja, que aparecerá en la pantalla del monitor. Cómo acceso Data Studio? Al llegar al laboratorio, los estudiantes encontrarán las computadoras apagadas. El procedimiento para trabajar con ellas empieza encendiendo la interfaz, según dijimos antes, y luego la computadora. En la pantalla aparecerá el icono Física que debe pulsarse dos veces con el botón izquierdo del ratón. Como todas las computadoras del laboratorio tienen instalado el programa de DataStudio, en su pantalla mostrarán un icono de rápido acceso al mismo. Ver la figura 1 Figura 1 Icono que da acceso al programa "DataStudio" Cómo inicio un experimento nuevo? Una vez seleccionado el icono que da acceso al programa, mediante doble pulsación del botón izquierdo del ratón, se inicia el programa desplegando su pantalla de bienvenida. Ver la figura 2 339

4 Para comenzar, seleccionemos en la pantalla de bienvenida el área Crear experimento. Esto se hace pulsando el botón izquierdo del ratón una sola vez. En respuesta, el programa presenta la pantalla de la figura 3 Figura 2 Pantalla de bienvenida Cómo configuro la interfaz virtual para trabajar mi experimento? Ver la figura 3. En ella tenemos lo siguiente: Un rectángulo en blanco, en la esquina superior izquierda, con el encabezado Datos ; un rectángulo titulado Pantallas, debajo del anterior, y el cuadro con el título Configuración del experimento que tiene, a su vez, tres rectángulos adicionales: uno de ellos titulado Sensores, otro, Ayuda y uno más, sin título, pero con una fotografía de la caja de interfaz, a la que nos hemos referido con el nombre de interfaz virtual para distinguirla de la interfaz verdadera o caja de color negro colocada sobre la computadora. La ventana de los Sensores tiene una lista de estos en orden alfabético. Como es angosta, los nombres no aparecen completos. Podemos hacerla más ancha colocando el apuntador del ratón sobre la línea que divide esta ventana de la que contiene a la interfaz virtual. Al hacerlo, el apuntador se convierte en una flecha negra, sólida, horizontal con dos puntas (. Hundimos el botón izquierdo del ratón y lo mantenemos así mientras movemos el ratón hacia la derecha. El resultado es que la ventana aumenta su ancho hasta hacer visibles los nombres completos de los sensores. 340

5 Figura 3 Pantalla para crear un experimento Cómo instalo un sensor en la interfaz virtual y en la real? En cualquier experimento vamos a necesitar por lo menos un sensor. Para conectarlo, lo seleccionamos en la lista de sensores con una pulsación doble del botón izquierdo del ratón. Supongamos que elegimos el sensor de luz. Para encontrarlo, colocamos el apuntador del ratón sobre un pequeño rectángulo azul-gris a la derecha de la ventana, en su parte superior. Oprimimos el botón izquierdo del ratón y lo mantenemos así mientras movemos el ratón hacia abajo. Esto nos permite recorrer la lista de sensores hasta el fondo, si así lo deseamos. Cuando encontremos el sensor de luz nos detenemos y lo seleccionamos con una pulsación doble del botón izquierdo del ratón. El sensor se asocia automáticamente con el primer canal analógico disponible en la interfaz virtual, en este caso, el A. Ver la figura 4 en donde una bombilla encendida, llamada sensor de luz, aparece unida con una línea al canal A de la interfaz virtual. A continuación enchufamos el sensor real en el canal A de la caja de interfaz. Al terminar estas acciones el sensor de luz y el programa están listos para trabajar. Si necesitamos otros sensores, procedemos de manera similar hasta agotar los tres canales disponibles: A, B y C de las dos interfaces. 341

6 Figura 4 El sensor de luz está asociado con el canal A de la interfaz virtual Cómo empiezo a tomar medidas y veo sus valores? El siguiente paso consiste en hacer las medidas con los sensores. Esto se logra con la ayuda de la ventana Pantallas. Podemos seleccionar cualquiera de las ocho opciones: Cuaderno de Práctica, Gráfico, Histograma, etc., pero por ahora nos interesa mencionar solamente tres: Gráfico, Medidor analógico y Medidor digital, ya que el procedimiento es el mismo para las demás. Si seleccionamos el Gráfico obtendremos una gráfica de los valores de la variable medida en función del tiempo. Los medidores analógico y digital nos ofrecerán la lectura del valor de la variable medida en una escala analógica o digital. La selección se hace pulsando dos veces el botón izquierdo del ratón cuando el apuntador está sobre el objeto que se desea seleccionar, en este caso, el Gráfico. Al hacerlo, aparece la pantalla de la figura 5. Ahora tenemos que seleccionar la variable que deseamos graficar en función del tiempo. Tenemos dos opciones: el voltaje del canal A, o la intensidad luminosa porcentual medida por el sensor de luz enchufado al canal A. Para hacer la selección pulsamos una vez el botón izquierdo del ratón sobre la línea que nos interesa y movemos el apuntador hasta el botón Aceptar y damos otra pulsación. Por último, llevamos el apuntador del ratón al botón Inicio y pulsamos una vez el botón izquierdo del ratón. Observamos que las mediciones empiezan a ser tomadas. Para detenerlas usamos el botón Detener. 342

7 Figura 5 En respuesta a seleccionar el Gráfico en Pantallas aparece esta ventana Cómo logro una señal de salida de la interfaz? En la figura 3 vemos que en el extremo inferior de la ventana de Sensores hay una ventana adicional, pequeña, titulada Salida de señal. Su único elemento es: Salida. Si lo seleccionamos con doble pulsación del botón izquierdo del ratón obtenemos la ventanilla titulada Generador de señal. Ver la figura 6. En este caso particular aparece la palabra Sinusoide, que identifica al tipo de señal, pero podemos ver otros tipos pulsando el triángulo invertido que aparece al extremo derecho de la ventana. Moviendo el cursor de la derecha, hacia arriba y hacia abajo notamos los nombres de otros tipos de señal: nueve en total, empezando con Voltaje CC, Sinusoide, Onda cuadrada, etc., hasta Rampa descendente positiva en el último lugar. En la misma ventana podemos seleccionar la amplitud y frecuencia de cualquiera de las señales disponibles. La máxima amplitud es de V. La señal llamada Voltaje CC corresponde a un voltaje constante, también llamado DC. En el experimento de ley de Ohm necesitaremos una señal de rampa ascendente positiva que empiece en cero y suba hasta 5.0V. El tiempo que tarda en hacerlo es el inverso de la frecuencia. Las frecuencias se pueden escoger desde la mínima de Hz, que equivale a un tiempo, o período de 1/0.001 = 1000 s, hasta 50 khz en intervalos de Hz. Supongamos que necesitamos una señal de rampa ascendente positiva que empiece en 0 V y suba gradualmente hasta 5.0 V en 100 s. El inverso de 100 s es 1/100 = 0.01 Hz, así que escogemos ese tipo de señal y escribimos V en la ventana de amplitud y 0.01 Hz en la de frecuencia. Una vez hecho esto cerramos la ventana con la en su esquina superior derecha. 343

8 Figura 6 Configuración del generador de señal Cómo configuro y calibro el sensor de movimiento? El sensor de movimiento es un generador y receptor de ultrasonido que mide tiempos, distancias, velocidades y aceleraciones. Es similar al detector de velocidad que usa la policía y que comúnmente llamamos radar. Ver la figura 7 Figura 7 El sensor de movimiento 344

9 Para calibrar este sensor necesitamos instalarlo en la interfaz virtual y en la real como explicamos anteriormente para el sensor de luz. En seguida pulsamos dos veces el botón izquierdo del ratón en la imagen del sensor que aparece conectado a la interfaz virtual según vemos en la figura 8 Figura 8 Para abrir la ventana de calibración del sensor de movimiento pulsamos dos veces su imagen con el botón izquierdo del ratón Como consecuencia se abre la siguiente ventana. Ver la figura 9. En seguida pulsamos la ceja Medida, con lo que abrimos una ventana más, que aparece en la figura 10. En esta opción podemos seleccionar las funciones que deseamos que el sensor ejecute en el experimento. Vemos que es capaz de trabajar como medidor de aceleración, tiempo, posición y velocidad. Para seleccionar cualquiera de estas opciones simplemente colocamos el indicador del ratón en la cajita cuadrada al lado izquierdo de la función y pulsamos una vez el botón izquierdo, con lo que deberá aparecer una marca de cotejo en el interior de la cajita, implicando que esta ha sido seleccionada. En la figura 10 aparecen seleccionadas las funciones: aceleración, posición y velocidad. Por último pulsamos la ceja Sensor de movimiento, con lo que abrimos la ventana con ese nombre. Ver la figura 11. Aquí calibraremos el sensor y ajustaremos su frecuencia de disparo. La calibración es importante y debemos hacerla cada vez que usemos este sensor. El procedimiento consiste en colocar el sensor a una distancia conocida frente a una pared u objeto plano, grueso y vertical. Supongamos, por ejemplo, que el sensor se coloca sobre una de las mesas del laboratorio, frente a cualquiera de las paredes del salón, y que la distancia entre la superficie dorada, y circular, del sensor y la pared, es de1.26 m. En este caso, 345

10 colocamos el indicador del ratón dentro de la ventanilla llamada Distancia de calibración y pulsamos el botón izquierdo una vez. En seguida escribimos el número 1.26 dentro de esa ventanilla y pulsamos el botón izquierdo del ratón sobre la tecla Calibrar (C). Acto seguido debe aparecer el número 1.26 m en la ventanilla llamada Distancia actual. Si ahora movemos el sensor, alejándolo, o acercándolo, de la pared deberá cambiar ese número, indicando la nueva distancia que lo separa de ésta. En la figura 11 notamos también la ventanilla con el título: Frecuencia de disparo, que se refiere al número de pulsos ultrasonoros que el sensor envía cada segundo. Si el objeto cuyo movimiento queremos analizar se mueve muy rápido y por una distancia muy corta, es probable que el sensor solamente registre unos cuantos puntos. En tal caso es preferible incrementar la frecuencia de disparo. Para hacerlo basta con pulsar el botón izquierdo del ratón sobre la flecha que apunta hacia la derecha, al lado de la ventanilla. Si lo que se desea es reducir la frecuencia de disparo, se pulsa la otra flecha, es decir, la que apunta hacia la izquierda Figura 9 Esta ventana se abre luego de pulsar dos veces con el botón izquierdo del ratón la imagen del sensor que aparece en la ventana de la figura 8 346

11 Figura 10 La ventana de Medida muestra las cuatro funciones que puede ejecutar el sensor de movimiento 347

12 Figura 11 Esta ventana es para calibrar el sensor y seleccionar su frecuencia de disparo ADVERTENCIA: Estas instrucciones son generales y su ejecución constituye parte del proceso normal cada vez que se intente usar el programa DataStudio y la interfaz correspondiente. 348