SEGUNDA PRUEBA. 25 de febrero de 2011 INSTRUCCIONES. Esta prueba consiste en la resolución de un problema de tipo experimental

Documentos relacionados
REAL SOCIEDAD ESPAÑOLA DE FÍSICA REAL SOCIEDAD ESPAÑOLA DE FÍSICA. XXII Olimpiada FASE LOCAL DE LA RIOJA. 25 de febrero de 2011

25 ANIVERSARIO 2ª PRUEBA. 21 de febrero de Subvenciona: Departamento de Educación, Universidad, Cultura y Deporte

27 de febrero de 2015

Prueba experimental. Determinación del módulo de cizalladura del cobre.

Fig Esta prueba experimental está inspirada en la propuesta en la Olimpiada Argentina de Física de 2003.

XX Olimpiada Española de Física. Problema Experimental

SEGUNDA PRUEBA. 24 de febrero de 2012 INSTRUCCIONES. Esta prueba consiste en la resolución de un problema de tipo experimental

SEGUNDA PRUEBA. 26 de febrero de 2010 INSTRUCCIONES. Esta prueba consiste en la resolución de un problema de tipo experimental

Prueba experimental. Oscilaciones amortiguadas de un péndulo de agua.

Solución Examen Cinemática 1º Bach Nombre y Apellidos: La expresión de la velocidad instantánea se obtiene derivando el vector de posición,

REAL SOCIEDAD ESPAÑOLA DE FÍSICA PRIMERA PRUEBA

ESTUDIO ESTÁTICO DEL RESORTE HELICOIDAL (MUELLE)

LABORATORIO DE FÍSICA TEORÍA DE GRÁFICAS

2ª PRUEBA 26 de febrero de 2016

Prueba experimental. Determinación de la capacidad de un condensador. Pila

Error en las mediciones

Medición de g con péndulo simple

Examen Cinemática 1º Bach

1 A la vista de la siguiente representación gráfica, encuentra el dominio y el recorrido de la función.

Unidad 6 Números aproximados. Errores! 1 PROBLEMAS PROPUESTOS (! ""#) Matemáticas 1

Fig. 1. P Exp. Campo magnético de un imán y campo magnético terrestre.

UNIVERSIDAD DEL ZULIA PROGRAMA DE INGENIERÍA NÚCLEO COSTA ORIENTAL DEL LAGO UNIDAD CURRICULAR: FÍSICA I

Mecánica. Tiro parabólico. Movimientos de translación REGISTRO PUNTO A PUNTO DE LAS PARÁBOLAS DE TIRO FUNDAMENTOS GENERALES

Prueba experimental. Constante de Planck y comportamiento de un LED

LABORATORIO 1: MEDICIONES BASICAS

Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado

Realización de la práctica

FORMACIÓN DE IMÁGENES CON LENTES

CAPÍTULO 2. Las mediciones en la física

3 Estudio de movimientos sencillos

TEMAS DE FÍSICA I TIRO PARABÓLICO. Profr. Abelardo Rodríguez Soria et al TRIMESTRE 11 P

Movimiento curvilíneo. Magnitudes cinemáticas

Distancia focal de una lente convergente (método del desplazamiento) Fundamento

Física Aplicada a Farmacia. Curso º parcial 20/10/2015. T (s) DT = 2sT 0,02 0,015 0,011 0,011

FÍSICA 1-2 TEMA 1 Resumen teórico. Cinemática

unicoos Funciones lineales Objetivos 1.Función de proporcionalidad directa pág. 170 Definición Representación gráfica

2.2 Rectas en el plano

Sesión de cálculo de errores

Guía Nº I Experimentación CAIDA LIBRE

CINEMÁTICA 1. Sistema de referencia. 2. Trayectoria. 3. Velocidad. 4. Aceleración. 5. Movimientos simples. 6. Composición de movimientos.

CINEMÁTICA. Vector de Posición. Vector Desplazamiento = Movimiento

3. RELACION ENTRE DOS CONJUNTOS DE DATOS.

ECUACIONES DEL MOVIMIENTO

PRÁCTICA 5: RODADURA.

3.2 Dos fuentes de incertidumbre independientes que inciden sobre una misma variable

CÁLCULO DE INCERTIDUMBRE EN LAS MEDICIONES

La ciencia que estudia los fenómenos balísticos en general se denomina «Balística».

RELACIONES DE PROPORCIONALIDAD Y GRÁFICOS

EL MÉTODO DE ERATÓSTENES. CÁLCULO

Péndulo reversible de Kater

Práctica 2. Tratamiento de datos

Ajustes lineales por aproximación manual. Reglas para una correcta representación gráfica

MEDIDAS. Error accidental. Error Sistemático. Cantidad de la magnitud A. Número, MEDIDA. Cantidad de la magnitud A tomada como referencia.

Unidad didáctica 6 Funciones

ESTUDIO DEL TIRO HORIZONTAL

Teoría practica 5. Advección de temperatura: Modelos de predicción

ÓPTICA GEOMÉTRICA: REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ

COORDENADAS CARTESIANAS Y POLARES.

GRAFICAS LINEALES REGLAS GENERALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE GRÁFICAS

DETERMINACIÓN DE SU VALOR

TEMA 2: DISTRIBUCIONES BIDIMENSIONALES

que asocia a cada número entero su triple menos dos:

GUÍAS DE LOS LABORATORIO DE FÍSICA I Y LABORATORIO DE FÍSICA GENERAL

ADOLF CORTEL ORTUÑO JOSÉ TORNOS GIMENO ALEJANDRO DEL MAZO VIVAR

Práctica de Laboratorio Nº1 Cinemática. Tiro oblicuo

Ref: Cinemática Vectorial

Ajustes lineales por aproximación manual. Reglas para una correcta representación gráfica

Funciones elementales: polinómica, racional y con radicales

INCERTIDUMBRE DE LA MEDIDA

Física Cinemática velocidad v = x/t (1) Movimiento rectilíneo uniforme (M.R.U.) velocidad es constante

1 Indica cuáles de las siguientes parábolas están abiertas hacia arriba y cuáles hacia abajo:

GUÍA DE ESTUDIO PARA EL EXAMEN EXTRAORDINARIO DE GEOMETRÍA ANALÍTICA

Solución Examen Cinemática 1º Bach Nombre y Apellidos: La expresión de la velocidad instantánea se obtiene derivando el vector de posición,

Medición de la aceleración de la gravedad mediante un sistema fotosensorplaca

Determinación de la aceleración de la gravedad en la UNAH utilizando el péndulo simple

TEMA 8 CARACTERÍSTICAS GLOBALES Y LOCALES DE LAS FUNCIONES

1. INTRODUCCIÓN. MOVIMIENTO Y SISTEMA DE REFERENCIA.

Laboratorio de Física I

Un segundo ohmímetro mide la misma resistencia y obtiene los siguientes resultados: R B1 = ( 98 ± 7 ) Ω R B2 = ( 100 ± 7 ) Ω R B3 = ( 103 ± 7 ) Ω

Nombre: Curso: Fecha:

Errores e Incertidumbre. Presentación PowerPoint de Ana Lynch, Profesora de Física Unidad Educativa Monte Tabor Nazaret

Ejemplo: Por ejemplo, para la función f cuya gráfica es Y

Tema 5 Inecuaciones y sistemas de inecuaciones

FÍSICA EXPERIMENTAL TEMA III DINÁMICA. 2. De acuerdo con los modelos gráficos que se muestran y que representan el movimiento de un cuerpo, determine:

Representaciones gráficas: Método del Paralelogramo

TP. REFRACTOMETRÍA/ Versión 3.2/ MÓDULO 4/ CÁTEDRA DE FÍSICA/ FFYB/ UBA/

Unidad 6: Funciones reales de variable real.

x ± ε(x) Unidades Expresión de magnitudes y errores el resultado se expresa en la forma:

1. MONOTONÍA: CRECIMIENTO Y DECRECIMIENTO DE UNA FUNCIÓN. Ejemplo: Estudiar la monotonía (intervalos de crecimiento y decrecimiento) de la función 2

La recta en el plano.

PRÁCTICA 6: PÉNDULO FÍSICO Y MOMENTOS DE INERCIA

EL PROMEDIO Y LA DESVIACIÓN TÍPICA

CINEMÁTICA: ESTUDIO DEL MOVIMIENTO. Cinemática es la parte de la Física que estudia la descripción del movimiento de los cuerpos.

y v y Trayectoria de un proyectil

TEMA 4 FUNCIONES ELEMENTALES

Sistema de coordenadas cartesianas. Ecuación de la recta y de la circunferencia.

1. Halla la ecuación de la recta r, sabiendo que pasa por A(1,-2) y B(-1,2)

Transcripción:

SEGUNDA PRUEBA 5 de febrero de 11 : INSTRUCCIONES Esta prueba consiste en la resolución de un problema de tipo experimental Razona siempre tus planteamientos No olvides poner tus apellidos, nombre y datos del Centro en la primera hoja! Subvenciona:

Problema experimental. Emulando a Galileo 1 Galileo Galilei es universalmente considerado uno de los padres de la Ciencia moderna. De entre sus múltiples aportaciones en Astronomía, Matemáticas y Física, vamos a recordar aquí sus estudios experimentales sobre la trayectoria que describe un cuerpo en caída libre. Por ejemplo, en un manuscrito de 168 aparece la ráfica de la fiura 1, en la que anotó los alcances horizontales de una bolita que caía libremente una cierta altura, para diversos valores de la velocidad inicial horizontal. Fi. 1 A partir de estudios experimentales de este tipo para varias alturas de caída, Galileo dedujo que, si la fricción con el aire es despreciable, la distancia recorrida en horizontal es proporcional al tiempo de vuelo, es decir que la componente horizontal de la velocidad es constante (equivalente a la Ley de Inercia). También comprobó que, para velocidad inicial horizontal, la distancia recorrida en vertical es proporcional al cuadrado del tiempo. Componiendo ambos movimientos, Galileo demostró que la trayectoria de la caída es parabólica. Los métodos e instrumentos que empleó Galileo para medir distancias y tiempos fueron rudimentarios, aunque notablemente precisos. Con medios más modernos, podríamos emular a Galileo y estudiar experimentalmente una caída libre de la siuiente forma: Lanzamos una bolita por una mesa horizontal y rabamos lateralmente con una cámara de video de "alta velocidad" su caída al suelo tras abandonar la mesa. Posteriormente extraemos imáenes rabadas a intervalos de tiempo reulares T,4 s, partiendo del instante t en que la bolita abandona la mesa y comienza su caída libre. En la fiura se presentan estas imáenes superpuestas. Se ha tomado orien de coordenadas, O, en el centro de la bolita en su posición inicial de caída, justo cuando abandona la mesa, eje OX horizontal y paralelo a la velocidad inicial de movimiento, v, y eje OY vertical. O v X cm Y Fi. 1 Este problema experimental está inspirado en una de las pruebas que propuso el Comité Académico local en la XV Olimpiada Iberoamericana de Física (Panamá, 1). OAF 11 PRUEBAS DEL DISTRITO UNIVERSITARIO DE ZARAGOZA

a) Midiendo con una rela sobre la fiura y teniendo en cuenta la escala indicada en ella, construye una tabla con los valores de t, x e y en las sucesivas posiciones de la bolita. Añade en otra columna los valores de t, que necesitarás más adelante. b) Detera, con la mayor precisión posible, el valor de v. c) En una ráfica con t en abscisas e y en ordenadas, dibuja los puntos correspondientes y obtén la pendiente de la recta que, pasando por el orien, mejor se ajusta a dichos puntos. d) Deduce el valor de la aceleración de la ravedad,, y haz una estimación de su incertidumbre, Δ. e) Si la altura de la mesa es h 8, cm, calcula el alcance del tiro parabólico, es decir la x final en el instante del impacto de la bolita con el suelo (supuesta de radio despreciable). Calcula la incertidumbre del alcance debida a la incertidumbre Δ obtenida en el apartado anterior. Hasta ahora hemos dado por supuesto que, durante la caída, y es proporcional a t. Pero Galileo no lo sabía a priori. Intentando de nuevo emular su trabajo, planteemos la hipótesis de que nuestros datos experimentales se ajustan a una dependencia de la forma y kt n donde tanto la constante k como el exponente n son desconocidos. f) Cómo podría demostrarse que la hipótesis es correcta, y que el mejor ajuste corresponde a n? (Es suficiente con que expliques el método que propones; no es necesario que lo apliques a los datos) ç OAF 11 PRUEBAS DEL DISTRITO UNIVERSITARIO DE ZARAGOZA

Solución Problema experimental. Emulando a Galileo a) En la tabla I se recoen las distancias del centro de la bolita a los dos ejes, x e y, en los instantes t m mt, con m entero y T,4 s. Estas distancias se han medido con una rela normal, raduada en milímetros, y se ha optado por presentar los datos con una resolución de,5 mm. Para medir, por ejemplo, la coordenada x de una posición de la bolita, el método habitual es enrasar el cero de la rela con el eje vertical OY y tomar la lectura de la rela donde esté el centro de la bolita. Como ésta tiene más de dos milímetros de diámetro, abarca varios trazos de la rela y no es fácil precisar más allá de,5 mm la posición de su centro. Sin embaro, puede mejorarse la resolución de los datos midiendo al revés: es más preciso enrasar el cero, que tiene un trazo laro, con el centro de la bolita (nuestra vista es bastante hábil en esta tarea, con un error típico ~,1 mm) y medir en la escala de la rela la posición del eje. Como es una línea fina, ahora sería posible interpolar visualmente entre los trazos de sucesivos milímetros y "afinar la lectura" a la décima de mm, con un maren de incertidumbre estimado de ±, mm. Para obtener los valores reales de x e y es necesario tener en cuenta la escala que se presenta en la ráfica del enunciado. La lonitud del semento representado, medida con la rela, es L,4 cm y corresponde a una lonitud real L cm. Por tanto, x e y se obtienen multiplicando x e y por el factor de escala f L L 5 4 3 t (s) t ( s ) x (cm) Tabla I y (cm) x (cm) y (cm),,,,,,,4,16 1,1,1 9,17,83,8,64,5,4 18,75 3,33,1,144 3,35,85 7,9 7,8,16,56 4,45 1,5 37,8 1,5,,4 5,6,4 46,67,,4,576 6,7 3,4 55,83 8,33,8,784 7,8 4,6 65, 38,33,3,14 9, 6,5 75, 5,4,36,196 1,1 7,65 84,17 63,75,4,16 11, 9,4 93,33 78,33 b) Si se acepta que la componente horizontal de la velocidad durante la caída es constante e iual a v, ésta velocidad podría deterarse calculando el cociente x/t para cualquiera de las posiciones de la bolita. Para optimizar la precisión del resultado conviene tomar los datos del último punto, que es el que tiene una menor incertidumbre relativa de la posición, Δx/x, ya que tiene la misma incertidumbre absoluta Δx que los demás y el mayor valor de x. Con esta idea, una estimación razonable (y rápida) de v sería v 93, 33 1 m 33 m/s,4 s, Los procesos de impresión y fotocopiado pueden introducir pequeños cambios de escala, que afectarían por iual a todas las medidas realizadas con una rela sobre la ráfica, de forma que los valores finales de x e y no deberían verse sistemáticamente afectados. OAF 11 PRUEBAS DEL DISTRITO UNIVERSITARIO DE ZARAGOZA

Un cálculo de propaación de errores, que no detallaremos aquí, partiendo de incertidumbres estimadas x,5 mm y L, mm conduce a Δv 3 m/s. Δ Δ, Para mejorar la precisión, podría repetirse este proceso de cálculo, v x / t, con las demás posiciones de la bolita y promediar los resultados. Pero es más correcto (y eleante) representar los puntos experimentales en una ráfica con x en ordenadas y t en abscisas y ajustarlos a una recta que pase por el orien, cuya pendiente es precisamente v. A continuación se presenta esta ráfica, con el aspecto que tendría dibujada en papel milimetrado 1, x (m),8,6,4,,,,1,,3,4,5 t (s) Se observa que, como era de esperar, los puntos están muy bien alineados en una recta que pasa por el orien. La pendiente de esta recta, es decir v, se calcula a partir de las coordenadas de un punto de la recta alejado del orien (para mejorar la precisión del resultado) por ejemplo el último punto en la parte superior derecha de la recta trazada, para el que (t ; x) (,49 s ; 1, m). 1, m v, 33 m/s,49 s Un ajuste analítico, empleando el método de "mínimos cuadrados", conduce a v (, 333 ± )m/s., c) Como la componente vertical de la velocidad inicial es nula y se ha tomado orien en el punto inicial de la caída, se espera que y 1 t Done es la aceleración de la ravedad. Por tanto, se espera una dependencia y( t ) lineal, con ordenada en el orien nula y pendiente /. En la siuiente ráfica se representan los puntos pedidos que, efectivamente, se ajustan muy bien a una línea recta que pasa por el orien. OAF 11 PRUEBAS DEL DISTRITO UNIVERSITARIO DE ZARAGOZA

y (m),8 A,7,6,5,4,3,,1,,4,6,8,1,1,14,16 t (s ) De nuevo, la pendiente p de esta recta puede obtenerse a partir de las coordenadas de un punto de la recta alejado del orien, por ejemplo el punto A indicado en la fiura, con ( t A ; y A ) (,157 s ;,77 m), 77 m p 157, s 4, 94 m/s d) La aceleración de la ravedad sería el doble de la pendiente anterior p 9, 88 m/s Este valor es muy próximo al estándar que solemos recordar 3. En cuanto a la incertidumbre de este resultado, es obviamente el doble de la incertidumbre Δp de la pendiente de la recta ajustada y( t ). Cuando se quiere hacer una estimación "manual" de la incertidumbre de una pendiente, normalmente se trazan las rectas que con pendientes máxima y mínima se ajustan razonablemente a la serie de puntos experimentales y se obtiene la incertidumbre como Δp 1 ( ) p max p Pero en nuestro problema los puntos experimentales están tan bien alineados que es imposible trazar estas dos rectas y evaluar sus pendientes. Lo más que podemos hacer sin recurrir a métodos analíticos (fuera de luar aquí) es estimar la posible falta de precisión al trazar la mejor recta sobre los puntos o al leer en la ráfica las coordenadas del punto auxiliar A sobre dicha recta. Siendo quizá pesimistas, podríamos estimar que, debida a ambas causas, la incertidumbre de la coordenada y del punto A puede ser de medio cuadrito en el papel milimetrado, es decir Δy A,5 m Con esta estimación, las pendientes máxima y mínima serían 3 En Zaraoza, a poco más de m sobre el nivel del mar y 41,66º de latitud, el valor real es 9,8 m/s. OAF 11 PRUEBAS DEL DISTRITO UNIVERSITARIO DE ZARAGOZA

p p max, 775 m 157, s, 765 m, 157 s 4, 936 m/s 4, 873 m/s Δ Δp p max p, 6 m/s Esta incertidumbre afecta a la seunda cifra decimal, por lo que no tiene sentido dar el tercer decimal de, y el resultado del experimento sería ( 9, 81±, 6) m/s Pero aún hay otra fuente de error que hemos de analizar. Se han medido sobre la ráfica del enunciado los valores de y para las diferentes posiciones de la bolita. Estos valores pueden estar afectados de pequeños errores aleatorios que tienden a cancelarse con el posterior proceso de ajuste a una recta, pero si existe un error en el factor de escala f, este error se transmitirá sistemáticamente a todos los valores de la altura y descendida, y a los resultados obtenidos a partir de ellos. En concreto, hemos medido L 4, mm, y una estimación razonable de su incertidumbre, teniendo en cuenta las posibilidades de interpolación visual entre los trazos de la rela, es ΔL, mm. Esto supone una incertidumbre relativa ΔL L 3 8 1 Aunque la relación de la coordenada y con se discutirá más adelante) es decir L L y y f y L es inversa, el error relativo transmitido es el mismo (como Δy ΔL y L 3 Por tanto, la incertidumbre relativa 1 (,8 %) se transmite sistemáticamente a todos los valores de la altura y, a la pendiente p de la ráfica y al valor de. Δ 3 8 1 8 Δ,8 m/s Combinando las dos fuentes de incertidumbre de, que son independientes, una estimación final razonable podría ser Δ m/s +, 8 m/s 1, 6, De forma que el resultado del experimento tendría una incertidumbre relativa aproximada del 1 % ( 9, 8 ± 1, ) m/s e) Llamando t f al instante en que la bolita olpea el suelo y X al correspondiente alcance, se cumple que X v t f 1 X v f h t h, 941 m Para deterar la incertidumbre de este resultado, teniendo sólo en cuenta la incertidumbre de, calculamos los valores máximo y mínimo de X, correspondientes respectivamente a los valores mínimo y máximo de. max 9, 7 m/s Xmax, 9463 m Xmax X ΔX 9, 9 m/s X, 9367 m, 5 m OAF 11 PRUEBAS DEL DISTRITO UNIVERSITARIO DE ZARAGOZA

También puede llearse a este resultado tomando incrementos, en valor absoluto, en la dependencia X() X v h ΔX v Δ h 1 3 v h Δ Δ X / X ΔX Δ 1 Es decir, la incertidumbre relativa de X es la mitad 4 de la de. Como ésta es del 1 %, aquella es del,5 % ΔX, 5X, 5 m f) La dependencia y(t) propuesta es potencial y k t n Esta dependencia puede "linealizarse" tomando loaritmos (en cualquier base) a ambos lados de la iualdad lo y lo k + n lot Por tanto, si la hipótesis es correcta, en una ráfica de lo y frente a lo t los puntos deben ajustarse bien a una línea recta, y la pendiente de dicha recta es precisamente n. En nuestro caso la ráfica es la siuiente:, lo y -, -,4 y 1,97x+,676 -,6 -,8-1, -1, -1,4-1,6-1,8 -, -, -1,6-1,4-1, -1, -,8 -,6 lo t -,4 Los puntos se ajustan muy bien a una línea recta de pendiente p 1,97 (calculada por "mínimos cuadrados"), valor que es muy próximo al entero esperado n. 4 Siuiendo el método indicado de tomar incrementos en valor absoluto, es fácil demostrar que si la dependencia y(x) es potencial, y kx n Δy x, los errores se propaan en la forma n Δ. En el apartado e) se acaba de comprobar esta idea y x con n -1/, y en el apartado d) se ha aplicado con n -1. OAF 11 PRUEBAS DEL DISTRITO UNIVERSITARIO DE ZARAGOZA