III. APARATOS DE MEDICION. Ángulos - tiempos - masa - temperatura

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Eugenio Soler Vidal
hace 6 años
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1 III. APARATOS DE MEDICION Ángulos - tiempos - masa - temperatura OBJETIVO Aprender a manejar algunos aparatos que son de gran importancia para las mediciones de ángulos, tiempo, masa y temperatura. RESUMEN TEORICO Medida de ángulos Dos líneas no paralelas que se cortan en algún punto subtienden entre ellas un ángulo que se expresa usualmente en grados ( ). El ángulo total alrededor de un punto está compuesto por 360. Un grado tiene 60 minutos de arco (') y un minuto tiene 60 segundos de arco (''). Otra unidad para medir ángulos está basada en las dimensiones relativas de un sector de un círculo. Como puede observarse en la figura 1, la relación del arco S 1 a su radio R 1 es exactamente la misma que la de otro arco S 2 a su respectivo radio R 2. Esta relación de la longitud del arco y del radio no se altera por el tamaño del círculo sino que depende únicamente del ángulo central. Figura 1. Esquema para definir el radián.

2 De acuerdo con esto, un radián se define como el ángulo subtendido en el centro de un círculo por un arco igual en longitud al radio. Puesto que la circunferencia de un círculo es 2 veces su radio, el ángulo total alrededor del punto central es 2 radianes. En general, (1) = S / R Puesto que es la razón entre dos longitudes, el ángulo en radianes no tiene unidades Para convertir grados en radianes, o viceversa, se debe tener en cuenta que (2) y usar los siguientes factores de conversión: 1 radián = 57,3 grados 1 grado = 0,0175 radianes 1 revolución = 6,283 radianes Medida de tiempos La determinación del tiempo es una de las medidas más comunes y necesarias en la ciencia, la tecnología y la vida cotidiana. La medida del tiempo, de manera similar que la de longitud, debe efectuarse con referencia a un patrón de tiempo que se define en forma conveniente y con carácter universal. La definición del patrón de tiempo se basa en fenómenos de la física cuántica y se hace de la siguiente manera: Un segundo es el tiempo que requiere el átomo de cesio-133 para realizar vibraciones, correspondientes a la transición entre dos niveles hiperfinos de su estado fundamental. La unidad patrón de tiempo es el segundo ( su símbolo es s ). Hay múltiplos y submúltiplos del segundo, tales como: Múltiplos : 1 hora = 3600 s 1 minuto = 60 s Submúltiplos 1 milisegundo = 10-3 s 1 microsegundo = 10-6 s

3 1 nanosegundo = 10-9 s 1 picosegundo = s 1 femtosegundo = s Para practicar medidas de tiempo se han diseñado y fabricado muchas clases de relojes como los de sol, los de arena, mecánicos de cuarzo, eléctricos, atómicos, etc. Medida de masas. Los objetos en la naturaleza están compuestos por una cantidad determinada de materia la cual se define por el número de moléculas que contiene y por la estructura de las moléculas mismas. El término masa se emplea en este contexto como la medida de la cantidad de materia de un objeto. De manera similar al caso de la medida de la longitud, la medida de masa se debe hacer comparándola con un patrón de masa convenientemente definido y de carácter universal. El patrón de masa es el kilogramo patrón, el cual se define como la masa de un cilindro de platino e iridio que se guarda en la oficina internacional de pesas y medidas, el cual se le ha asignado por acuerdo internacional una masa de un kilogramo. La unidad de masa en el sistema internacional de medidas (SI) es el kilogramo ( su símbolo es kg ). Existen múltiplos de la unidad patrón tales como la tonelada ( 1000 kg ) y submúltiplos tales como el gramo ( 1 gramo = 10-3 kg ). El aparato usualmente empleado para medir masa es la balanza ( figura 2 ). Medida de temperaturas Como resultado de numerosas investigaciones, hoy en día se acepta que el calor es una forma de energía. Cuando se aplica calor a un cuerpo, su energía aumenta. La aplicación de calor a un objeto usualmente origina el incremento de su temperatura. El término temperatura se usa para expresar que tan caliente o que tan frío está un objeto; frío corresponde a temperatura baja y caliente a una temperatura alta.

Tales escalas se construyen eligiendo dos temperaturas patrones, denominadas puntos fijos, que se puedan reproducir fácilmente; luego se asignan números arbitrarios a esas temperaturas y finalmente

4 Figura 2. Modelo de balanza de brazo para uso corriente con capacidad de pesada de 1,6 kilogramos. Términos tales como frío y caliente sugiere que la temperatura de una sustancia no puede establecerse de manera definida y este hecho ha llevado a la adopción de ciertas escalas termométricas. Tales escalas se construyen eligiendo dos temperaturas patrones, denominadas puntos fijos, que se puedan reproducir fácilmente; luego se asignan números arbitrarios a esas temperaturas y finalmente se divide el intervalo entre los puntos fijos en un número apropiado de partes iguales. Cada parte se denomina grado ( su símbolo es ( ) ). En la ciencia, en la tecnología y en la práctica se utilizan principalmente cuatro escalas para las cuales se toman como puntos fijos el punto de fusión y el punto de ebullición del agua a la presión de 76 cm de mercurio. La figura 3 muestra cómo se plantearon estas escalas. Frecuentemente es necesario convertir temperaturas de una escala a otra. Para ello se utilizan las siguientes relaciones que se dan sin demostración. 1. C = ( F - 32 ) 5/9 2. F = (9/5 ) C K = C + 273,15 4. R = F + 459,67

5 Figura 3. Escalas estándar de temperatura DESCRIPCION DEL EXPERIMENTO Elementos para la práctica En la realización de este experimento se van a utilizar los siguientes aparatos y elementos:.transportador. Modelo da las estrellas que forman la Osa Mayor. Cronómetro digital manual. Riel fotocinemático. Fototobogán con interfase. Riel fotocinético con interfase. Balanza de brazo con capacidad para 1 kg

6 . Balanza con escala circular. Balanza digital. Dinamómetros. Termómetros de vidrio y metálicos. Termopares Procedimiento Medida de ángulos 1. En el modelo de Osa Mayor están marcados diferentes ángulos. Use el transportador para medirlos Medida de tiempo Por qué es necesario utilizar instrumentos para medir el tiempo. 2. Sin utilizar cronómetro ni algún otro aparato, mida a ojo el tiempo que emplea la esfera para recorrer el trayecto de extremo a extremo en el riel fotocinemático que se da para la práctica. Hágalo 5 veces y obtenga un tiempo promedio. Deje rodar nuevamente la esfera como el caso anterior, pero ahora utilice el cronómetro para medir el tiempo que tarda en recorrer el mismo trayecto. Hágalo 5 veces y calcule un tiempo promedio. Repita el procedimiento anterior, pero ahora mida el tiempo de recorrido del trayecto con ayuda de las fotoceldas y el cronómetro digital. Las fotoceldas se encargan de activar y desactivar el cronómetro, con lo cual se mejora la precisión en la medida del tiempo. Haga 5 veces esta medición y obtenga un promedio del tiempo. 3. Medida del tiempo en un evento corto ( instantáneo ). En el fototobogán suelte la esfera desde un punto fijo, déjela rodar libremente y observe el tiempo que mide el computador. Éste es el tiempo que tarda el diámetro de la esfera en pasar por la fotocelda. Haga la medida 5 veces, calcule el tiempo promedio. 4. Medida del tiempo en intervalos cortos de longitud En el riel fotocinemático provisto de 12 fotoceldas, deje rodar la esferita y anote los tiempos registrados en la pantalla del monitor correspondientes a la distancia recorrida entre sensor y sensor.

7 Medida de masas Para el experimento usted recibe 6 cubos de igual volumen y diferentes masas, numerados de 1 a 6. Utilice las tres balanzas y el dinamómetro ( graduado en gramos ) para medir la masa de los cubos. Medida de temperaturas Para realizar esta práctica se dispone de tres diferentes termómetros; antes de efectuar las medidas, compruebe su funcionamiento y determine la apreciación con la cual se pueden leer sus escalas. 5. Con cada uno de los termómetros disponibles mida su temperatura corporal. 6. Vierta agua caliente en una vasija y con los termómetros disponibles mida cada 3 minutos la temperatura del agua en su proceso de enfriamiento durante algún tiempo. DISCUSION Y PREGUNTAS a. Desarrolle una discusión completa acera de las propiedades e inconvenientes que se dan al hacer mediciones de tiempo a ojo. b. Compare las medidas de tiempo que hizo con el cronómetro controlado a mano y aquellas que hizo utilizando las fotoceldas. Discuta las diferencias observadas en esas mediciones, analice la confiabilidad de esos dos aparatos utilizados y evalúe la conveniencia o inconveniencia de medir el tiempo de estas formas. c. Podría usted medir a ojo el tiempo que tarda en pasar el diámetro de la esfera por la fotocelda, como hizo en el experimento del fototobogán?. Discuta acerca de la precisión de esta medida y con base en ello diga si es o no una medida confiable. d. Discuta todo lo referente a los resultados de las 5 mediciones hechas en el fototobogán utilizando el computador. e. Haga una discusión acerca de la diferencia que existe entre la modalidad de medición de tiempos con el fototobogán y con el riel fotocinemático con interfase. f. Discuta por qué razón la masa de los cubos es diferente a pesar de tener el mismo volumen. g. Proponga un método experimental para medir la masa de la tierra. h. Proponga un método experimental ( con el diseño de un instrumento ) para medir la masa de 5 moléculas de agua. i. Si encontró diferencias en la medición de la masa de los cubos al utilizar los tres tipos de balanzas, haga un análisis para explicarlo.

8 k. Haga un gráfico de temperatura de T vs tiempo t sobre un mismo papel milimetrado con los datos obtenidos en el enfriamiento del agua. Discuta la forma y el comportamiento de estas curvas. l. Consulte en qué principio físico se basa el funcionamiento de los termopares. CONCLUSIONES

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