METODO SUGERIDO PARA EL DESARROLLO DEL LABORATORIO DE INTRODUCCION A LA FISICA


Dando por descontado la ejecución del programa, e independientemente del estilo y orden que se implemente, es vital el cumplimiento de cuatro objetivos fundamentales en este curso:

1. El estudiante debe manejar con destreza las leyes de Newton y sus aplicaciones.

2. Debe presentar adecuadamente los datos experimentales haciendo uso de la teoría de errorses.

3. Debe aprender a analizar gráficos y obtener información de parámetros físicos mediante técnicas de linealización de funciones.

4. Debe adquirir destreza para exponer clara y brevemente por escrito sus ideas, procedimientos y conclusiones en un informe de laboratorio.

 

Puesto que el trabajo de laboratorio es una parte sustancial dentro del proceso de formación, un elemento para ayudar al cumplimiento de estos objetivos es la unificación de los criterios empleados en el tratamiento de datos de laboratorio. La idea es ir guiando poco a poco al estudiante, para que vaya adquiriendo progresivamente más herramientas de análisis, hasta llegar a un punto donde el estudiante sea capaz de tomar decisiones argumentadas para diseñar el propio experimento y evaluar sus resultados.

De esta manera se propone dividir el Laboratorio de Introducción a la Física en tres etapas consecutivas: Inducción, fortalecimiento y autonomía.

Las primeras seis experiencias de laboratorio buscan familiarizar al estudiante con técnicas básicas de laboratorio : toma de medidas, errores experimentales, tratamiento estadístico de datos, propagación de error, presentación de gráficos, linealización y ajuste de curvas, e interpretación de resultados. En cada experiencia se sugieren dos o más montajes experimentales que el profesor está en libertad de proponer. Así mismo se sugiere que el profesor proponga montajes adicionales que mejoren la eficacia del aprendizaje de estas técnicas de laboratorio.

 

ETAPA I

INDUCCION

La idea de esta etapa es enseñar al estudiante a tomar y presentar datos, calcular la propagación de error, y a presentar y linealizar gráficas. En esta esta etapa de 4 a 6 semanas, no se exije que el estudiante presente informesde laboratorio, sino llevar un cuaderno por grupo (bitácora) a lo largo del semestre, donde se consignen losdatos experimentales, además de la presentación de un reporte semanal por grupo (o individual, como se prefiera) rferente al trabajo experimental propuesto. Asimismo cada grupo debe poseer una dote suficiente de papel milimetrado, semilogarítmico, logarítmico y calculadora científica para el trabajo de laboratorio.

 

Las experiencias que se proponen para esta primera etapa son:

1. Análisis estadístico de errores aleatorios.

Se trata de que los estudiantes tomen suficientes datos de una variable física bajo las mismas condiciones, de tal manera que comprendan el significado de el valor promedio, la desviación standard, la desviación standard de la media y la distribución gaussiana de medidas.

EXPERIMENTOS PROPUESTOS.

Independientemente de los detalles, se propone medir una variable que tenga alto riesgo de aleatoriedad. A continuación se proponen dos de los muchos posibles.

 

No 1. Dada una altura fija determinar el tiempo de caída de un cuerpo tomando un alto número de mediciones.

Materiales : Regla y cronómetro.

 

No 2. También la experiencia puede realizarse al revés, manteniendo un tiempo constante, medir el desplazamiento de un cuerpo sobre un plano inclinado.

Materiales : Mesa débilmente inclinada, cronómetro y cinta métrica.

 

El objeto del laboratorio es que el estudiante presente adecuadamente el resultado de su medición, y juzgue sobre la validez del procedimiento experimental y/o la ley que rige la caída libre de los cuerpos. Por ejemplo, haciendo una estimación del valor de la constante gravitacional obtenida experimentalmente. Además, se exige que cada estudiante elabore individualmente una gráfica de la distribución de frecuencias de las mediciones, y evalúe si en realidad estadísticamente se presenta una tendencia gaussiana, y estimar el número de datos que caen en el rango de la desviación standard.

 

2. Regresión lineal.

Se debe hacer énfasis en la presentación de gráficos a mano alzada con adecuada escala, unidades de medida, barras de error, líneas de tendencia y adecuada estética. De igual forma, el objeto de esta experiencia es introducir el formalismo de regresión lineal por el método de mínimos cuadrados, mediante dos variables de medición relacionadas linealmente.

EXPERIMENTOS PROPUESTOS.

Para familiarizar al estudiante con el manejo de la regresión lineal y la propagación de errores, se propone un sistema físico en el cual esté involucrada la medición de dos variables físicas relacionadas linealmente. Se proponen dos alternativas :

 

No. 1. Ley de Hooke.

Medición de la elongación de un resorte en función de las pesas colocadas sobre su base.

Materiales : Resorte, soporte universal con nuez, portamasas, juego de pesas, balanza y regla.

 

No 2. Ley de Ohm.

Medición de corriente respecto a la variación de voltaje.

Este experimento posee el atractivo de dar acceso a los estudiantes a nuevo equipo, y ganar conocimiento sobre el manejo de nuevos instrumentos de medición.

Materiales : Fuente de voltaje regulada, dos voltímetros, resistencia, cables de conexión.

Se propone evaluar los resultados de la pendiente mediante obtención de promedios para detectar el manejo de la propagación de errores y la presentación de tablas de datos, en contraste con la pendiente obtenida mediante el método de regresión lineal para evaluar el manejo de gráficos, la comprensión de la regresión lineal y la interpretación de resultados.

No 3. MRU.

Medición de distancia recorrida en función del tiempo por una burbuja de aire en glicerina.

Materiales : Tubito con aire y glicerina, regla y cronómetro.

 

3. Linealización de gráficas I (Función exponencial)

El objeto es adquirir destreza en el manejo del papel semilogarítmico, y mediante una adecuada linealización con el método gráfico y de mínimos cuadrados, obtener la ecuación que gobierna dos variables exponencial o logarítmicamente relacionadas.

Experimentos propuestos.

Se busca que el estudiante haga el tratamiento completo de linealización de funciones exponenciales e intente interpretar físicamente los resultados. Para ello deben seleccionarse experimentos en los que las variables medidas respondan a una tendencia exponencial. Entre los muchos posibles se proponen dos :

No 1. Ley de Torricelli.

En un tanque de forma cilíndrica, se introduce agua y se deja fluir a través de un orificio practicado en la parte inferior de su pared lateral. Debe medirse la altura del nivel del agua en función del tiempo.

Materiales : Probeta larga con desagüe, tapón, cronómetro, balde y trapero.

No 2. Descarga de un condensador.

Se carga un condensador mediante un circuito RC serie, y luego se procede a descargarlo mediante la resistencia conectada en serie. Para ello deben escogerse valores tales que el producto RC sea del orden de los minutos. Se mide el voltaje del condensador, y/o la corriente que fluye, en función del tiempo.

Materiales : Condensador (del orden de diez a cien microfaradios), resistencia (del orden de diez a cien megaohms), cables de conexión, fuente de voltaje DC, interruptor, cronómetro, amperímetro (opcional).

No 3. Característica I-V de un diodo.

Materiales: Fuente de voltaje variable (0-36V), LED y resistencia de 1K en serie, protoboard, amperímetro y voltímetro.

4. Linealización de gráficas II (Función polinómica)

Es la misma idea que el apartado 3, sobre papel logarítmico con dos variables relacionadas en forma polinómica.

 

EXPERIMENTOS PROPUESTOS

1. Distancia recorrida vs tiempo, por un bloque sobre un plano inclinado.

Materiales : Carril de aire, fotocompuertas.

2. Frecuencia de oscilación contra masa en un sistema masa-resorte.

Materiales: Soporte universal, resorte, bloque, cronómetro, regla, balanza.

3. Frecuencia de oscilación contra longitud en un péndulo simple.

Materiales: Soporte universal, resorte, bloque, cronómetro, regla.

4. distancia horizontal recorrida vs descenso vertical en un tiro parabólico.

Materiales: Rampa metálica, esfera, regla, plomada, papel carbón y periódico. También puede hacer más elegante mediante un montaje con foto estroboscópica.

 

Como se aprecia, en esta parte introductoria se dan las herramientas para analizar experimentos dirigidos por el profesor (Etapa II)., que van a reforzar la teoría. A su vez, se pretende que el estudiante se familiarice con equipo de laboratorio diverso que va a utilizar en posteriores cursos, hecho que aunque genera algunas dificultades iniciales, se recompensa con creces por la expectativa de los estudiantes de utilizar equipo de laboratorio específico de otras áreas de la física diferentes a la mecánica, lo cual le va a proporcionar una visión más amplia de la física.

 

ETAPA II

FORTALECIMIENTO DE CONOCIMIENTOS Y APLICACIONES DIRIGIDAS (3 A 4 SEMANAS)

 

En esta etapa se proponen experimentos dirigidos por el profesor, encaminados a reforzar la teoría. Además se busca que los estudiantes aprendan a exponer sus ideas corectamente en los informes de laboratorio. Si es necesario, puede hacerse repetir el informe de laboratorio hasta que satisfaga las exigencias técnicas, académicas, linguísticas y estéticas requeridas por el profesor, y al final otorgar una sola nota en esta etapa.

5. Variables cinemáticas y conversión.

En este laboratorio se pretende que el estudiante mida dos variables cinemáticas (posición,velocidad, aceleración), de tal forma que poueda, usando la definición de derivada e integral, construir la gráfica de una variable cinemática en función del tiempo con base en una gráfica naterior de otra variable cinemática en función del tiempo, teniendo la posibilidad de encontrar verificación experimental.

Por ejemplo, medir X vs t y V vs t en un sistema determiando usando fotocompuertas. Luego tomar la gráfica de X vs t y construir la de V vs t a partir de pendientes sucesivas y confrontar la curva resultante con la de V vs t experimentalmente obtenida. Asimismo tomar la curva de V vs t, y mediante la definición de integral, construir la de x vs t y confrontarla con la experimental.

6. Movimiento con aceleración no uniforme.

La teoría contenida en el programa de introducción a la física no permite analizar en profundidad movimientos con aceleración no uniforme. mediante la conversión de vaiables cinemáticas haciendo uso de las definiciones diferencial e integral en función del tiempo, y la técnica de la foto estroboscópica, es posible realizar análisis de moviminetos con aceleración no uniforme. Hay muchos sistemas físicos para ser escogidos: péndulo simple, péndulo físico, oscilador armónico, movimiento circular, etc.

7. Coeficiente de fricción.

Una explicación detallada se encuentra en el link relacionado.

 

ETAPA III

AUTONOMIA

Se propone un problema experimental o teórico-experimental a resolver por losestudiantes durante la sesión de laboratorio. El estudiante diseña el montaje experimental que requiere, escoge las variables a medir y los instrumentos que va a emplear. Se sugiere que el profesor proponga el problema de acuerdo acon la disponibilidad de materiales de laboatorio y, de ser posible, con antelación a la sesión de laboratorio con el fin de separar el equipo requerido.

El estudiante ya debe tener experiencia en la presentación de informes de laboratorio. Cuando entregue el informe, el profesor debe leerlo enseguida para reunirse con el grupo y hacer preguntas individuales sobre la experiencia y la teoría involucrada, con el fin de verificar su grado de participación y su nivel de conocimientos de mecánica. Se propone establecer nota individual, de acuerdo con el nivel alcanzado por el estudiante.

Con esta propuesta, se pretende unificar criterios respecto a los objetivos centrales del curso de Introducción a la física, y a los métodos para conseguirlo. En ella se recogen opiniones expresadas desde hace varios semestres por profesores que han tenido a cargo este curso: Hernán Rodriguez, Jorge Quiñones, Juan Carlos Hurtado, Alexander Caneva, leonardo Gutiérrez, Nina Clavijo y Henry Méndez. Desde luego que, por ser una propuesta, debe ser expuesta al rigor de la crítica y la prueba, pero la idea es ante todo, mejorar el nivel académico de los estudiantes de primer semestre y promover a segundo semestre estudiantes con un buen nivel deconocimientos en mecánica, de técnicas de laboratorio y análisis lógico. Cualquier comentario o propuesta será recibida con mucho agrado. Si desea, envíela a hamendez@impsat.net.co ó también a rata@mailcity.com.

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