FÍSICA CICLO 5 BACHILLERATO A DISTANCIA ¡IMPORTANTE!

Esta asignatura está conformada por 5 unidades. Usted tiene 30 días para su estudio y evaluación.

UNIDAD 1 AUTOR: PROFESOR RENE ANDRADE

Modificado: PROFESOR DAGOLEÓN ZAPATA

Bajo Contrato Exclusivo para: CAPACITACION 2000

FÍSICA CICLO 5

CAPACITACIÓN 2000

FÍSICA C5 CONTENIDO UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA -

Concepto y División Medición (Sistemas y Conversiones) Instrumentos de medida Notación científica Vectores: Gráfica y operaciones

UNIDAD 2: MOVIMIENTO LINEAL Y PARABÓLICO -

Movimiento Rectilíneo Uniforme (M.R.U) Movimiento Uniformemente Variado Movimiento Vertical y Caída libre Movimiento en dos dimensiones o en el plano

UNIDAD 3: LEYES DE LA DINÁMICA - EQUILIBRIO -

Fuerza: Leyes de Newton Peso y Masa Leyes de Kepler y Gravitación Universal Estática

UNIDAD 4: TRABAJO-ENERGÍA Y MÁQUINAS SIMPLES -

Trabajo Potencia Energía Máquinas Simples

UNIDAD 5: TERMODINÁMICA-HIDRÁULICA -

Energía Térmica y Temperatura Escalas Térmicas Leyes de la Termodinámica Fluidos y Presión Leyes de la Hidráulica

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INTRODUCCIÓN Los avances de la ciencia han permitido en los últimos años dar explicación a muchos fenómenos y situaciones físicas, por lo tanto es nuestro compromiso aportar por medio del presente texto, las bases necesarias para que el estudiante incremente su raciocinio en forma clara, práctica y objetiva. Los talleres en cada unidad han sido diseñados en forma adecuada para desarrollar en el educando habilidades y niveles de competencia de tipo interpretativo, argumentativo y propositivo.

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UNIDAD 1 INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA FÍSICA Etimológicamente viene del griego “physis”, que significa naturaleza. En la antigüedad se entendía como el estudio de todos los fenómenos que ocurren en la naturaleza. Hoy día hay otras disciplinas que contribuyen a su estudio, como son: La Química, la Biología, la Geología, la Astronomía, etc. Por tanto podemos definir física como la ciencia que estudia las interacciones de la materia y la energía y los fenómenos que surgen a partir de estas. Por otra parte podemos afirmar que la física estudia las propiedades de la materia y las leyes que rigen en el cambio de estado o movimiento sin cambiar su naturaleza. ESTUDIO DE LA FÍSICA Los comportamientos físicos deben ser aprendidos con base en procedimientos de razonamiento y experimentación, los cuales con la aplicación de la observación constituyen el método científico. MÉTODO CIENTÍFICO La ciencia estudia todos los problemas y fenómenos de manera organizada. 1. Observación del fenómeno: Consiste en la toma de medidas, registro de datos y planteamiento de posibles soluciones. 2. Lanzamiento de hipótesis: Con base en la observación se formula soluciones al nivel de suposiciones. 3. Experimentación: Con base en la experimentación se comprueban las hipótesis. 4. Obtención de conclusiones: Si se prueba la hipótesis, puede convertirse en una ley la cual se expresa generalmente en forma matemática.

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DIVISIÓN DE LA FÍSICA Por razones del proceso de enseñanza – aprendizaje la física se ha clasificado en las siguientes ramas: MECÁNICA: Estudia el movimiento de los cuerpos. Se divide en: a) Cinemática: Estudia el movimiento de los cuerpos sin tener en cuenta la masa y la causa que lo produce. b) Dinámica: Estudia el movimiento de los cuerpos teniendo en cuenta la masa, el peso del cuerpo y las causas o fuerzas que lo producen. c) Estática: Estudia las condiciones necesarias para que un cuerpo esté en equilibrio. TERMODINÁMICA: Estudia lo relativo al calor y la temperatura. MECÁNICA DE FLUIDOS: Estudia los fluidos en movimiento. ÓPTICA: Estudia los fenómenos relacionados con la luz. ELECTROMAGNETISMO: Estudia los fenómenos relacionados con las cargas y sus efectos. FÍSICA MODERNA: Estudia los descubrimientos recientes. Se relaciona con física atómica, teoría cuántica, relatividad, etc.

MEDICIÓN El hombre desde la antigüedad ha tratado de crear unidades patrón para compararlas con longitudes, volúmenes, masas, etc., muy grandes o muy pequeñas. (Distancia entre planetas, tamaño de los astros, tamaño de un átomo, etc.). Para este fin ha ideado muchos instrumentos y patrones los cuales perfecciona cada día a la par con el progreso de la tecnología.

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Medir: Es comparar una cantidad dada por medio de una relación, con otra de la misma especie llamada patrón de medida, la cual se ha seleccionado en forma previa.

SISTEMAS DE MEDIDA A nivel mundial los sistemas más utilizados son: MKS, CGS e INGLÉS. Los cuales manejan tres magnitudes fundamentales. (Longitud, Masa y Tiempo) resumidas en el siguiente cuadro: MAGNITUD LONGITUD SISTEMA Unidad Patrón M.K.S Metro (m) C.G.S Centímetro (cm) INGLÉS Pie (ft)

MASA Unidad Patrón Kilogramo (kg) Gramo (gr) Libra (lb)

TIEMPO Unidad Patrón Segundo (s) Segundo (s) Segundo (s)

Veamos algunas equivalencias: 1 Metro = 1 Pie = 1 Pulgada = 1 Milla = 1 Yarda = 1 Vara = 1 Hora = 1 Kilogramo =

100 12 2,54 1609 90 80 60 2

cm pulgadas cm m aproximadamente cm aproximadamente cm aproximadamente minutos = 3.600 segundos libras = 1.000 gramos

NOTACIÓN CIENTÍFICA Se utiliza para abreviar la escritura de un número demasiado grande o pequeño. Consiste en escribir un número utilizando potencias de 10. Estructura de un número expresado en notación científica. ,

X 10

E Ejjeem mppllooss:: 1) Escribir en notación científica 5.000

5

±

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S Soolluucciióónn:: 5.000 se puede escribir como 5 x 1000 y como 1000 = 10³ entonces 5.000 = 5 x 10³ 2) Escribir 0,04 en notación científica S Soolluucciióónn:: 0,04 son 4 centésimas, es decir

por tanto

4 4 = 4 x 10-2 = 100 10²

0,04 = 4 x 10-2

En conclusión un número se convierte a notación científica trasladando la coma (,) hacia la derecha cuando sea un número muy pequeño (0,000032 = 3,2 x 10-5) y el exponente queda negativo y a la izquierda cuando el número es muy grande (8’300.000 = 8,3 x 106). Conversión de notación científica a número normal: Basta correr la coma (,) hacia la derecha si el exponente de 10 es positivo y hacia la izquierda si el exponente de 10 es negativo. E Ejjeem mppllooss::

1) Convertir S Soolluucciióónn

2,3 x 104 a número corriente Basta correr la coma (,) cuatro lugares a la derecha 2,3 x 104 = 23.000

2) Convertir 5,7 x 10-5 S Soolluucciióónn

Basta correr la coma (,) cinco lugares a la izquierda 5,7 x 10-5 = 0,00005

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3) Convertir 0,0000045 a número corriente S Soolluucciióónn

Se corre la coma hasta quedar entre el 4 y el 5, este número número de dígitos que se corre es exponente negativo de 10 0,0000045 = 4,5 x 10-6

INSTRUMENTOS DE PRECISIÓN DE MEDIDA Se utilizan para obtener una exactitud mayor en la medida, por ejemplo de ⎛ 1⎞ ⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞ décimas ⎜ ⎟ , céntimas ⎜ ⎟ o milésima ⎜ ⎟ . Entre estos tenemos: ⎝ 10 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎝ 1000 ⎠ 1) Calibrador o Vernier: Se usa para medir pequeñas longitudes, diámetros externos e internos y profundidades. (Permite una precisión mínima de 1 de mm). 10

2) Tornillo micrométrico: Se utiliza para medir longitudes y permite mayor 1 precisión que el calibrador ( de mm). 100

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Además de estos instrumentos existen otros con precisiones aún mayores, ya que son digitales.

SISTEMA INTERNACIONAL (S.I) Fue adoptado en 1971 por la conferencia general de pesas y medidas. Está conformado por un conjunto de unidades de las cantidades físicas fundamentales, las cuales son: metro (m), kilogramo (kg), el segundo (s), el kelvin (k), el amperio (A). Por otra parte se completaron los prefijos de los múltiplos y submúltiplos de las unidades. MÚLTIPLOS Prefijo deca hecto kilo mega giga tera peta exe

Notación Da H K M G T P E

Potencia de 10 101 102 103 106 109 1012 1015 1018

SUBMÚLTIPLOS Prefijo deci centi mili micro nano Pico femto atto

Notación D C N μ N P F A

8

Potencia de 10 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-11 10-18

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Veamos con base a los prefijos como se determinan los múltiplos y submúltiplos del metro (m).

MÚLTIPLOS DEL METRO Nombre decámetro hectómetro kilómetro megámetro gigámetro tera metro peta metro exa metro

Notación dam o Dm hm o Hm km o Km Mm Gm Tm Pm Em

Potencia de 10 10 m = 10 m 102 m = 100 m 103 m = 1.000 m 106 m = 1’000.000 m 109 m = 1.000’000.000 m 1012 m = 1’’000.000’000.000 m 1015 m = 1.000’’000.000’000.000 m 1018 m = 1’’’000.000’’000.000’000.000 m 1

SUBMÚLTIPLOS DEL METRO Nombre decímetro centímetro milímetro micrómetro nanómetro picómetro femtómetro attómetro

Notación dm cm mm μm nm pm fm am

-1

10 m 10-2 m 10-3 m 10-6 m 10-9 m 10-12 m 10-15 m 10-18 m

9

Potencia de 10 = 0,1 m = 0,01 m = 0,001 m = 0,000001 m = 0,000000001 m = 0,000000000001 m = 0.,00000000000001 m = 0.,00000000000000001 m

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CONVERSIONES DENTRO DE UN SISTEMA

Si la conversión se hace hacia la derecha en la escala, se divide la cantidad entre el factor de conversión potencia de diez, pero si es hacia la izquierda en la escala, se multiplica por el factor de conversión. Se multiplica

Km Hm Dm m dm cm mm 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 CONVERSIÓN

FACTOR DE POTENCIA DE 10

Se divide E Ejjeem mppllooss:: 1) Convertir 25mm a Dm

El factor de conversión es 104, por lo tanto 25 ÷104 Dm = 25 ÷10000 Dm = 0,0025 Dm 2) Convertir 1,756 Km a cm

El factor de conversión es 105, por lo tanto 1,756 x 105 cm = 1,756 x 100000 cm = 175600 cm VARIOS SISTEMAS

Para este fin se multiplica la magnitud que se desea convertir por el factor de conversión adecuado de tal forma que las unidades se simplifiquen para originar las deseadas. FFaaccttoorr ddee ccoonnvveerrssiióónn:: Es un cociente en el cual el numerador y el denominador representan la misma medida.

Algunos factores de conversión son:

10

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1m 100 cm 1km 1000 m 1Hm 100 m 1Dm 10 m 1m 10 dm , , , , , , , , , 100 cm 1m 1000 m 1km 100 m 1Hm 10 m 1Dm 10 dm 1m

1m 100cm 1m 1000mm 1Pie 30,48cm 1Pul 2,54cm , , , , , , , 100cm 1m 1000mm 1m 30,48cm 1Pie 2,54cm 1Pul 90 cm 1 Pie 12 Pul 1 Hora 60 Min 1 Hora 3600 s 1 Yarda , , , , , , , 12 Pul 1 Pie 60 Min 1 Hora 3600 s 1H 90 cm 1 Yarda 1 Milla 1609 m 1 Vara 80 cm , , , 80 cm 1 Vara 1609 m 1 Milla

E EJJE EM MP PLLO OS S::

1) Convertir 20 pulgadas a cm. S Soolluucciióónn

20 pul x

Observe que se multiplicó por el factor

2,54 cm = 50,8 cm 1Pul

por tanto 20 pul = 50,8 cm 2) Convertir 2.315 m a

de conversión

2,54 cm para cancelar 1Pul

pulgada con pulgada, y finalmente se multiplicó 20 x 2,54 cm.

km

S Soolluucciióónn::

2.315 m x

1 km = 2,315 km 1000 m

km m (se lee velocidad de 54 kilómetros por hora) a (se h s lee metros por segundo).

3) Convertir 54

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S Soolluucciióónn::

Es necesario utilizar dos factores de conversión consecutivos, el primero para convertir de km a m y el segundo para convertir h (hora) a s (segundo).

54

km 1000 m 1h 54.000 m x x = 1 km 3.600 s 3.600 s h

Al simplificar

4) Convertir

Observe: Se multiplican los numeradores 54 x 1000 y se divide entre el denominador 3.600 s.

540 m/s = 15 m/s 36

340 m / mín

a cm / s

S Soolluucciióónn::

340m 100cm 1mím 34.000cm 3.400cm x x = = = 566,66 cm/s 1mín 1m 60s 60s 6s

VECTORES Las magnitudes físicas se dividen en escalares y vectoriales. MAGNITUDES ESCALARES: Se caracterizan por tener únicamente magnitud (valor numérico). Ejemplo: La hora (7:15 AM), la temperatura (30ºC), etc. MAGNITUDES VECTORIALES: Se caracterizan por tener magnitud, dirección y sentido. Ejemplos: Desplazamiento con dirección de 40º, magnitud 15 metros y sentido nor-oriente. Son magnitudes vectoriales la fuerza, la velocidad, la aceleración, etc.

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VECTOR

Segmento de recta orientado. Es decir cuenta con magnitud, dirección y sentido. E Ejjeem mpplloo::

r a

r tiene 8 El vector a unidades de magnitud, 30º de dirección y sentido nor- oriente.

OPERACIONES CON VECTORES LIBRES Vector libre: Es aquel que no se encuentra ubicado en el plano cartesiano. S Suum maa:: Para sumar dos vectores libres basta colocar el primer vector, luego se hace coincidir el punto final del primer vector con el punto inicial del segundo vector. El vector resultante se obtendrá uniendo el punto inicial del primer vector con el punto final del segundo vector. E Ejjeem mpplloo::

Dados

r a

r b

r d

r c

Hallar: r r a) a + b

r a

r b

r r a +b

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r e

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r r r r b) a + b + c + d

r b

r a

r c

r d

resultante a+b+c+d r r c) a + d

r a r d

r r a +d

RESTA

El procedimiento es análogo al de la suma con la diferencia que el vector cambia de sentido pero mantiene la magnitud y la dirección.

E Ejjeem mpplloo:: Con base en los vectores dados anteriormente. Hallar.

r r a) a -b

r r a -b

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r -b

r a

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e

r b) b - e

r b

resultante r r b-c

r r c) c - d r -d

r r c-d

C

VECTORES EN EL PLANO CARTESIANO Se grafican trazando el vector desde el punto (0,0) y un punto dado.

y

ay

a

x

ax

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ax y ay son las componentes rectangulares del vector resultante a, el ángulo θ es la dirección del vector resultante. ax = a.Cos θ y ay = a.Sen θ

1) Hallar las componentes rectangulares magnitud 16μ y una dirección de 37o

de un vector que tiene de

ax = 16 . Cos θ

entonces ax = 16.Cos 37º = 16 x 0,7986 = 12,77μ

ay = 16 . Sen θ

entonces ay = 16.Sen 37º = 16 x 0,6018 = 9,63μ

El valor de las componentes es: ax ay

16μ θ = 37o

ax = 12,77μ ay = 9,63μ

ax E Ejjeem mpplloo:: r 2) Graficar el vector ( a ) determinado por el punto (3,7). Hallar la magnitud y la dirección (el ángulo). r Las componentes del vector ( a ) son x = 3 y y = 7.

G Grrááffiiccaa::

r a

θ = Ángulo

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M Maaggnniittuudd:: r r Para hallar la magnitud del vector ( a ) utilizamos la fórmula | a |= x ² + y ² . Se lee “Magnitud del vector a es igual a la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las componentes x , y. r Reemplazamos x = 3 y y = 7 en la fórmula | a |= x ² + y ² r | a |= 3² + 7² r | a |= 9 + 49 r | a |= 58

D Diirreecccciióónn::

Para hallar la dirección (ángulo) se utiliza la fórmula

Luego

7 ; 3 θ = Tan-1 2,33

da un valor de

θ = 66,77º

Así:

θ = Tan-1

y x

θ = Tan-1

Para realizar esta operación se utiliza una calculadora científica, es decir que tenga entre otras las funciones trigonométricas. Se programa para trabajar en grados (En la pantalla de la calculadora aparece DEG o D), se escribe 2,33, se oprime la tecla Shift (en algunas calculadoras es 2ndf o inv y luego la tecla TAN. Resumiendo 2,33 Shift TAN = . En algunas calculadoras el orden es Shift TAN 2,33 Exe.

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SUMA DE VECTORES EN EL PLANO

Para este fin se hallan las componentes rectángulares en x con la fórmula ax = a cos θ y en y con la fórmula ay = a sen θ. Siendo “a” la magnitud del vector y θ el ángulo formado con la horizontal es decir la dirección del vector. Se suman las componentes y se aplican las fórmulas para hallar la magnitud y el ángulo del vector resultante. E Ejjeem mpplloo:: 1) Sumar los vectores:

a = 7μ

θ = 45º

b = 10μ

θ = 30º

c = 5μ

θ = 60º

a

b

c

(μ es una unidad de medida cualquiera)

Hallamos las componentes en x .

Se suman las componentes en x

ax = a cos 45º = 7 (0,707) = 4,949

Σx = ax + bx

bx = b cos 30º = 10 (0,866) = 8,66

Σx = 4,949 + 8,66 + 2,5

cx = c cos 60º = 5 (0,5) = 2,5

Σx = 16,109.

+ cx

Es el valor de la componente x del vector resultante

Hallamos las componentes en y. ay = a sen 45º = 7 (0,707) = 4,949 by = b sen 30º = 10 (0,5) = 5 cy = c sen 60º = 5 (0,866) = 4,33

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Se suman las componentes en y

Σy = ay + by + cy Σy = 4,949 + 5 + 4,33 Σy = 14,279. Valor de la componente y del vector resultante.

Para la magnitud del vector resultante aplicamos la fórmula |R| =

∑ +∑ 2

2

x

y

Se lee “magnitud del vector resultante es igual a la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de la sumatoria de las componentes”. Reemplazando tenemos: |R| =

(16,109)² + (14,279)²

|R| =

259,499 + 203,889

|R| =

463,388

|R| = 21,5 Para hallar el ángulo se utiliza la fórmula θ = Tan-1

∑ ∑

y x

Reemplazando tenemos: θ = Tan-1

14,279 16,109

θ = Tan-1 0,886 θ = 41,55º

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IMPRIME Y REALIZA EL SIGUIENTE TALLER

TALLER 1. Escribir en notación científica a) b) c) d)

215’000.000 cm 328’’’000.000’’000.000’000.000 dm 0,00029 Hm 0,0000000000248 Km

2. Escribir su equivalencia (Pasar de notación científica a número corriente) a) b) c) d)

3,2 x 10-5 4,28 x 103-6 6,31 x 107 9,26 x 108

3. Convertir a m, km, Hm y cm a) b) c) d)

1500 Yardas 10.000 mm 13.500 Pies 20.000 Dm

4. Convertir a pies, varas, yardas y pulgadas a) b) c) d)

500 m 10.000 dm 250 Hm 14.500 cm

5. La magnitud y la orientación de un vector que tiene como componentes rectangulares ax = 9cm y ay = 7cm son respectivamente: a) b) c)

a = 10,54cm a = 14,34cm a = 11,4cm

θ = 36,4° θ = 14,56° θ = 37,88°

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d)

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a = 13,64cm

θ = 48,7°

6. Dados los vectores r a

r b

r c

r d

Hallar: a) b) c) d) e)

r r r r -a +b +c + e r r r a +b +c r r a -b r r c - e r r r r r a + b + c + d +e

7. Sumar los vectores y graficar el vector resultante: r a) a = 9μ

θ= 40°

r b) b = 15μ

θ= 80°

r c) c = 6μ

θ= 50°

8. Calcular las componentes rectangulares de los siguientes vectores a)

a = 25cm

θ = 30o

b)

a = 49cm

θ = 80o

c)

a = 81m

θ = 45o

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r e

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d)

a = 144m

θ = 25o

e)

a=

θ = 65o

9mm

8. Complete: a) Dos instrumentos de precisión son: ____________ y_____________. b) La mecánica se divide en ____________, ___________ y ___________ c) La ______________ estudia el movimiento de los cuerpos sin tener en cuenta la causa que lo produce. d) La _________ ______ es el estudio de los fluidos. e) 3,5 x 104 es un número en ____________, ____________. f) 0,000559 equivale a _____________. g) El pie es una unidad del sistema _________________. 9. Escriba F o V: a) 30ºC es una magnitud escalar

(

)

b) Un vector tiene magnitud, dirección y sentido.

(

)

c) Para hallar la magnitud de un vector se utiliza la fórmula r | a |= x ² + y ²

(

)

y se utiliza para hallar la magnitud del vector x

(

)

(

)

d) θ = Tan-1 resultante.

e) La expresión 40 minutos es un vector

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10. La velocidad con la que viaja una lancha es de 9,4 m/s con un rumbo de 32° al nor-este puede descomponerse en sus dos componentes rectangulares, como son: a) 7,0 m/s hacia el Norte

y 3,0 m/s hacia el Este

b) 8,0 m/s hacia el Norte

y 5,0 m/s hacia el Este

c) 8,4 m/s hacia el Norte

y 1,0 m/s hacia el Este

d) 6,0 m/s hacia el Norte

y 3,4 m/s hacia el Este

10. La velocidad resultante y el ángulo de dirección de un avión que vuela a una velocidad de 150 Km/h en dirección 0o y choca con un viento que lleva una velocidad de 80 Km/h en dirección 90º son respectivamente: Marque la respuesta correcta.

a) 230 Km/h

y

90º

b) 70 Km/h

y

32,07º

c) 170 Km/h

y

28,07º

d)

117 Km/h

y

32,28º

12. Un viento de 92 Km/h sopla en dirección 225º , incide sobre un avión que vuela en dirección 105o a 195 Km/h. La velocidad resultante del avión es: Marque la respuesta correcta.

a) 125,6 Km/h b) 215,6 Km/h c) 251,6 Km/h d) 521,6 Km/h

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