Laboratorio de Física con Ordenador Experiencia: Intensidad de la Luz frente a distancia

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Experiencia P33: Intensidad de la Luz frente a distancia Sensor de Luz, Sensor de Movimiento rotatorio Tema DataStudio Inverse Square Law? P33 Light vs Position.DS Equipo necesario Sensor de Luz (CI-6504A) Sensor de Movimiento rotatorio (CI-6538) Puntal (OS-8534) Base y soporte (ME-9355)

ScienceWorkshop (Mac)

ScienceWorkshop (Win)

Cant. 1 1

Equipo necesario Sistema Óptico Básico (OS-8515) Pesas y portapesas (ME-9348)

Cant. 1 1

1 1

Hilo (SE-8050)

1m

IDEAS PREVIAS

¿Cambia la energía total de la luz que atraviesa una esfera imaginaria a medida que varía la distancia de la fuente de luz? ¿Cambia la intensidad de la luz que incide sobre la superficie de una esfera imaginaria a medida que varía la distancia de la fuente de luz? Compare la variación en la intensidad de la luz con la distancia para una fuente de luz ‘real’, con la variación en la intensidad de la luz con la distancia para una fuente de luz ‘ideal’. Anote sus respuestas en la sección Informe de Laboratorio. El objetivo de esta experiencia es estudiar la relación entre la intensidad de la luz y la distancia a la fuente de luz.

FUNDAMENTO TEÓRICO

La luz producida por una fuente se distribuye uniformemente en todas direcciones. La intensidad de la luz a una distancia r de la fuente será igual a la potencia de salida de la luz dividida entre el área de la superficie de la esfera que atraviesa la luz. Dado que el área de la superficie de la esfera varía según el cuadrado de su radio, r, la intensidad de la luz variará como 1/r2. RECUERDE Siga las instrucciones de utilización del equipo.

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PROCEDIMIENTO

Utilice el sensor de Luz para medir la intensidad de la luz a medida que el sensor se aleja de una fuente de luz fija alimentada por DC. Utilice el sensor de Movimiento rotatorio para medir la distancia entre la fuente de luz y el sensor de Luz. Utilice DataStudio o ScienceWorkshop para registrar y mostrar los datos de intensidad y distancia. Utilice una gráfica de intensidad de la luz frente a distancia para determinar la relación entre ambas.

PARTE I: CONFIGURACIÓN DEL ORDENADOR

1.

Conecte el interfaz de ScienceWorkshop al ordenador, encienda el interfaz y luego encienda el ordenador.

2.

Conecte el sensor de Luz al Canal Analógico A del interfaz.

3.

Conecte las clavijas estéreo del sensor de Movimiento Rotatorio a los Canales Digitales 1 y 2 del interfaz.

4.

Abra el archivo titulado: DataStudio P33 Light vs Position.DS

ScienceWorkshop (Mac)

ScienceWorkshop (Win)

El archivo DataStudio contiene el Workbook. Lea las instrucciones en el Workbook. El archivo también contiene una gráfica de intensidad de la luz frente a distancia. La recogida de datos está fijada en 20 Hz. El sensor de Movimiento rotatorio está configurado en 1440 divisiones por rotación. 5.

P33

En la ventana de configuración del experimento, haga doble clic en el icono del sensor para abrir la ventana ‘Sensor Properties’. Haga clic en el tabulador ‘Rotary Motion Sensor’. Haga clic en el menú ‘Linear Calibration’ y seleccione ‘Large Pulley (Groove)’. Haga clic en ‘OK’ para regresar a la ventana de configuración del experimento.

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PARTE II: CALIBRADO DEL SENSOR Y MONTAJE DEL EQUIPO

Montaje del Equipo

1.

Monte el sensor de Luz sobre el puntal y fije este al soporte. Coloque el soporte sobre el banco óptico a unos 25 cm de un extremo.

2.

Gire el disco de aperturas para alinear la apertura circular con el sensor de Luz.

3.

Monte el sensor de Luz sobre el banco óptico de modo que la fuente quede frente al sensor de Luz.

4.

Retire la anilla de la polea del sensor de Movimiento rotatorio. Monte el sensor sobre un soporte cerca del extremo del banco óptico.

5.

Ate un extremo del hilo en el soporte del puntal y pase el hilo sobre la polea del sensor de Movimiento rotatorio. Ate el portapesas en el extremo libre del hilo.

Calibrado del Sensor

Calibre el sensor de Luz de modo que produzca un voltaje máximo cuando el sensor esté lo más cerca posible de la fuente. 1.

Encienda la fuente.

2.

Ponga el interruptor GAIN de la parte superior del sensor en la posición 1. Mueva la fuente de modo que esté lo más cerca posible del sensor.

3.

En la ventana de configuración del experimento, haga doble clic en el icono del sensor de Luz. (Se abre la ventana ‘Properties’ en DataStudio. Se abre la ventana de calibrado del sensor de Luz en ScienceWorkshop. En DataStudio haga clic en el tabulador ‘Calibration’).

4.

Vigile el voltaje del sensor de Luz. En la ventana ‘Calibration’ de DataStudio, la lectura actual del sensor de Luz aparece en la esquina superior izquierda. En la ventana de calibrado del sensor de ScienceWorkshop, el valor actual del voltaje del sensor de Luz aparece al final de la columna de voltajes.

Voltaje del sensor

Voltaje del sensor

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Si el voltaje del sensor es superior a 4.9 V, aleje lentamente la fuente de luz del sensor hasta que el voltaje sea igual a 4.9 V (o ligeramente inferior).

Si el valor del voltaje del sensor de Luz es inferior a 4.9 V pero mayor de 0.49 V vaya al paso #5. Si el voltaje es inferior a 0.49 V ajuste el interruptor GAIN a 10. Si el valor es todavía inferior a 0.49 V, ajuste el interruptor GAIN a 100. 5.

Guarde este valor de voltaje como valor máximo (correspondiente al 100% de intensidad). En DataStudio haga clic en ‘Take Reading’ bajo la columna ‘High Point’. En ScienceWorkshop, haga clic en el botón ‘Leer’. Haga clic en ‘OK’ para regresar a la ventana de configuración del experimento.

PARTE III: RECOGIDA DE DATOS

1.

Mueva el sensor de Luz hasta la posición donde lo calibró para la intensidad máxima.

2.

Cuando todo esté listo, comience la recogida de datos. (Haga clic en ‘Start’ en DataStudio o en ‘Grabar’ en ScienceWorkshop).

3.

Aleje lentamente el sensor de Luz de la fuente de luz. Agarre el soporte del puntal, apriete el clip fijador y tire del soporte.

4.

Continúe alejando el sensor de la fuente de luz hasta que la distancia sea igual a 25 cm (o la intensidad sea cero).

5.

Finalice la recogida de datos.

6.

Apague la fuente de luz.

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ANÁLISIS DE DATOS

Cree un cálculo para la posición

Dado que el sensor de Luz no estaba precisamente junto a la bombilla de la fuente de luz, la posición inicial del sensor no era igual a cero metros al comienzo de la recogida de datos. Cree un cálculo de la posición real del sensor de Luz en relación a la bombilla que está en el interior de la fuente de luz. Utilice la distancia que midió cuando calibró el sensor de Luz. DataStudio

1.

En DataStudio, haga clic en ‘Calculate’ en la barra de herramientas. Resultado: Se abre la ventana calculadora.

2.

Haga clic en el botón de menú bajo ‘Variables’ y seleccione ‘Data Measurement’ en el menú. Resultado: Se abre la ventana ‘Please Choose… a data measurement’.

3.

Seleccione ‘Position’ en la lista y haga clic en ‘OK’. Resultado: Aparece ‘Position’ bajo ‘Variables’ en la ventana calculadora.

4.

Modifique ‘Definition’ añadiendo la distancia que separaba la fuente de luz del sensor al comienzo de la recogida de datos. (Nota: En este caso, la distancia es 0.1 m).

5.

Cambie de ‘y’ a ‘Position’ y haga clic en ‘Accept’ para guardar el cálculo. Resultado: Aparece el cálculo ‘Position’ en la Lista de datos.

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ScienceWorkshop

1.

En ScienceWorkshop, haga clic en el botón ‘Calculadora’ ( ) en la ventana de configuración del experimento. Resultado: Se abre la ventana calculadora.

2.

Seleccione ‘Digital 1, Posición Lineal’ en el menú Input.

3.

Añada la distancia que separaba la fuente de luz del sensor al comienzo de la recogida de datos. (Nota: En este caso, la distancia es igual a 0.1 m).

4.

Finalice escribiendo ‘Posición’ en ‘Nombre del Cálculo’ y en ‘Nombre Corto’. Escriba ‘m’ en ‘Unidades’. Haga clic en el botón ‘igual’ para guardar el cálculo.

Cambie la Gráfica

•

En DataStudio, pinche y arrastre el cálculo ‘Posición’ hasta el eje X de la gráfica.

•

En ScienceWorkshop, haga clic en el menú ‘Eje X - Input’ y seleccione ‘Cálculos, Posición, Posición (m)’.

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Ajuste la curva a los datos

Utilice las herramientas de análisis de la gráfica para aplicar una fórmula matemática a los datos. •

En DataStudio, haga clic en el botón de menú ‘Fit’ ( ). Seleccione ‘Inverse Nth Power’. Utilice el cursor para dibujar un rectángulo alrededor del área de la gráfica donde los datos sean más precisos. El programa de DataStudio aplicará una fórmula matemática a los datos. Nota: Para ver la fórmula matemática y sus parámetros, haga doble clic en la casilla de ajuste de curva de la gráfica. Haga doble clic para abrir la ventana de ajuste de curva.

En ScienceWorkshop haga clic en el botón ‘Estadísticas’ para abrir el área estadística a la derecha de la gráfica. Haga clic en el botón ‘Autoescala’ para ajustar automáticamente la escala de la gráfica a los datos. Utilice el cursor para dibujar un rectángulo alrededor del área de la gráfica donde los datos sean más precisos. En el área estadística, seleccione ‘Ajuste de Curva, Ajuste de Potencia’ en el menú de estadísticas. El programa de ScienceWorkshop aplicará una fórmula matemática a los datos basándose en la variable (distancia) elevada a una potencia. •

NOTA: Puede aparecer un mensaje diciendo que no hay solución válida. El programa necesita que usted cree la fórmula que mejor se ajuste a los datos. En el área estadística, haga clic en el coeficiente a4. Introduzca -2 como valor del parámetro. Presione o en el teclado para guardar su valor. Examine el valor de chi^2, el valor de mejor ajuste. Cuanto más cerca esté de cero, mejor se ajusta la fórmula matemática.

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Anote sus respuestas en la sección Informe de Laboratorio.

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Informe de Laboratorio Experiencia P33: Intensidad de la Luz frente a Posición

IDEAS PREVIAS

¿Cambia la energía total de la luz que atraviesa una esfera imaginaria a medida que varía la distancia de la fuente de luz? ¿Cambia la intensidad de la luz que incide sobre la superficie de una esfera imaginaria a medida que varía la distancia de la fuente de luz? Compare la variación en la intensidad de la luz con la distancia para una fuente de luz ‘real’, con la variación en la intensidad de la luz con la distancia para una fuente de luz ‘ideal’.

CONCLUSIONES Y APLICACIONES

1.

¿Qué relación existe entre la intensidad de la luz y la distancia?

2.

La bombilla no es realmente un punto lumínico. ¿Cómo afecta este hecho al experimento? ¿Qué puede hacerse para minimizar este error?

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