FIS Guia 1 Introduccion Fisica

Instituto Nacional Preu- 2009 -I semestre Prof : A.S.G. - Guía nº 1

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Física

Profesore: Aldo Scapini G

Guía nº 1 Plan Común

Nombre:……………………………………………………………....Curso:………..

INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA FÍSICA CONCEPTO Y ORIGEN DE LA CIENCIA Desde los primeros momentos de permanencia del hombre sobre la Tierra y a lo largo de su existencia ha presenciado los fenómenos naturales y ha sentido la necesidad de interpretarlos y en cierto modo de dirigirlos, para desarrollar y facilitar su propia vida. "Este es el origen de la ciencia". Un ejemplo de lo anterior es el conocimiento que establecen los antiguos sobre las crecidas de los ríos, el crecimiento de las frutas en los árboles, las estaciones del año, etc. En general este conocimiento se empieza a acumular y a traspasarse de generación en generación, los hombres sabios empiezan a sistematizarlos u ordenarlos creando así conocimiento ligado al hombre con la naturaleza y al hombre con sus pares. A la primera relación se le llama Ciencias Naturales y a la segunda Ciencias Sociales. Entendemos por ciencia el conocimiento conocimiento organizado de modo sistemático y racional de nuestro saber.

En las ciencias naturales, el conocimiento acumulado empieza empieza a crecer y el hombre se ve en la necesidad de establecer nuevas subdivisiones subdivisiones de este conocimiento, surgen así el estudio de la Biología Biología la Física y la Química. En el inicio inicio el conocimiento conocimiento de los fenómenos naturales fue adquirido por el hombre hombre a través de sus sentidos. En las Ciencias Sociales, el conocimiento esta ligado a las relaciones que se establecen entre los hombres y entre los hombres y las sociedades que ellos construyen, ejemplo de esta rama de la ciencia es la Psicología, la Antropología, la Economía, la Sociología.

LA FÍSICA COMO CIENCIA NATURAL La palabra Física proviene del término griego, que significa naturaleza. Hasta principios del siglo XIX se utilizó también la expresión “filosofía de la naturaleza”, puesto que correspondía a pensar sobre los fenómenos naturales Las personas con mente inquisitiva siempre han tenido una gran curiosidad sobre la forma en que funciona la naturaleza, al principio las únicas fuentes de información fueron nuestros sentidos, con la visión obtenemos la mayor parte de la la información del Universo; el Arco Iris, los eclipse de Sol, la reflexión de la Luz, son algunos de los fenómenos estudiados inicialmente con este sentido. Casi tan importante como nuestros ojos son nuestros oídos que nos hacen percibir sonidos; un trueno, el eco, el sonido de una campana, la bocina de un automóvil, etc. Otro órgano que nos permite detectar sensaciones es la piel, con ella percibimos los cambios de temperatura y las sensaciones de calor y frío. En general todos los sentidos nos permiten obtener información sobre el mundo mundo natural que nos rodea, pero estos sentidos son limitados e incluso estos pueden engañarnos. Las ilusiones ópticas ocurren a menudo; la sensación de temperatura también puede falsearse. Para una información más veraz y cuantificable es que los hombres utilizan los instrumentos de medición, a pesar que al igual que los sentidos estos instrumentos pueden fallar y siempre presentan limitante.

RAMAS DE LA FÍSICA Al principio del estudio de la Física las únicas fuentes de información fueron nuestros sentidos, los fenómenos estudiados fueron fuero n clasificados según fueron percibidos, de esa esa forma surge el estudio de la. 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Mecánica Termodinámica Óptica Electricidad y Magnetismo Acústica Astronomía, Astronomía, etc.

Registro de la propiedad Intelectual - Inscripción Nº 152679

Instituto Nacional Preu- 2009 -I semestre Prof : A.S.G. - Guía nº 1 

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La Mecánica: es la parte de la Física que estudia el movimiento y las interacciones entre los cuerpos. La Termodinámica estudia todo lo relacionado con la temperatura, el Calor, los cambios de fase de la materia, etc. La Óptica es la rama de la Física que estudia todo lo relacionado con la luz, la visión y los fenómenos luminosos. La Acústica es la rama de la Física asociado con la sensación de escuchar, en general lo relacionado con el sonido. La Electricidad es la rama de la Física que estudia el comportamiento de la carga eléctrica, las fuerzas eléctricas, el espacio que rodea los cuerpos con carga, en general cualquier fenómeno eléctrico.

Períodos históricos de la Física Otra forma de estudiar la Física es tomando en cuenta el período histórico en que se desarrollan, en tal caso reconoceremos la física antigua, la clásica, moderna y contemporánea 

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La Física antigua se desarrolla a partir de la acumulación del conocimiento por parte del hombre desde su inicio hasta mediados del siglo V D.C. entre los hombres dedicados a la filosofía natural mas destacados se encuentran Thales de Mileto, Aristóteles, Arquímedes, Eudoxio, Platón, Ptolomeo y otros. La Física clásica obtiene su máximo desarrollo en el siglo XV y XVI utilizando el método científico en la sistematización del conocimiento. Sus máximos exponentes son: Galileo Ga lilei, Copérnico, Kepler, Hooke, Huygens y Newton. La Física moderna se desarrolla a partir de los finales del siglo XIX y XX, en esta época se cambia la concepción de un universo estático por la concepción de un universo dinámico, surgen las ideas de relatividad, incertidumbres y cuantización. Entre los científicos mas destacados de esta etapa encontramos a Bohr, Planck, Heisenberg, Einstein. La Física contemporánea se desarrolla a partir del término de la segunda guerra mundial hasta nuestra época, se caracteriza por la busca de una teoría única que permite describir el universo, destacándose los siguientes físicos: Feynman, Salam, Hawking.

MÉTODO CIENTÍFICO En la Física el investigador para llegar al conocimiento hace uso de una secuencia ordenada y sistemática llamada Método Científico, el cuál se caracteriza por tener varias etapas. En primer lugar, los científicos realizan observaciones, que consisten en un examen cuidadoso y crítico de un fenómeno, analizando los factores y circunstancias que parecen ejercer su influencia sobre el mismo. Estas observaciones deben ser cuidadosas y exactas, así puede comprobarse como por ejemplo: la dilatación de los cuerpos, el estiramiento de un resorte. Estas relaciones entre variables deben expresarse en forma matemática mediante ecuaciones, las cuales son leyes empíricas de la naturaleza y una de las misiones del científico es su interpretación, así como descubrir las relaciones mutuas con otras leyes en virtud de ciertos principios generales, como son el principio de conservación de la Energía, la conservación de la cantidad de movimiento, etc. Todo lo anterior da origen a la formulación de un modelo. Otras veces, la experiencia contradice el modelo y éste debe sustituirse por otro nuevo que describa con exactitud los hechos experimentales, tanto cualitativa como cuantitativamente. Resumiendo las etapas del método científico son: 1. 2. 3. 4. 5.

Observación (Cuantitativas y cualitativas) Formular Hipótesis Experimentación (Control de variables. Medición, Comunicación de los datos) Formulación de Leyes (cuantitativas y cualitativas) Formulación de un modelo o teoría



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La importancia de la ciencia radica en la forma de acumular y sistematizar el conocimiento mediante la utilización del método científico. Este método fue desarrollado por Sir Bacón y Galileo Galilei. Los científicos deben aceptar los hechos aun cuando quisieran que fueran diferentes. Deben esforzarse para distinguir entre lo que ven y lo que desean ver, dado que la capacidad del ser humano para el autoengaño es enorme. Tradicionalmente el público ha tendido a adoptar reglas generales, pareceres, creencias, teorías e ideas sin hacer un cuestionamiento cabal de su validez, y los ha retenido aun mucho después de haberse demostrado su carencia de sentido, su falsedad o por lo menos su cuestionabilidad. Las suposiciones más generales son las menos cuestionadas. Muy a menudo, cuando se adopta una idea, se da particular atención a cosas que la apoyan, mientras que aquellas que parecen refutarla se distorsionan, minimizan o ignoran.

Los conceptos científicos no son inmutables, sino que tiene cambios, evolucionan conforme pasan por etapas de redefinición y refinamiento. Es éste un punto fuerte de la ciencia y no una debilidad como algunos creen, muchas personas están convencidas de que es un signo de debilidad el cambiar de parecer los científicos competentes, sin embargo, deben ser expertos en cambiar sus propios pareceres. Pero no lo hacen con facilidad respecto de principios sometidos a juicios y comprobados, los científicos no buscan defender creencias sino mejorarlas. Las mejores teorías están hechas por aquellos que son honestos al encarar los hechos.

MAGNITUDES FUNDAMENTALES Y DERIVADAS En la Física como en las Ciencias Naturales es necesario determinar información cualitativa y cuantitativa de un fenómeno natural, esta información está constituida por un conjunto de mediciones. Vamos a entender por medir, el comparar un patrón de una magnitud con lo que se desea medir Una magnitud física queda definida cuando se han establecido los procedimientos que se deben tener en cuenta para establecer dicha magnitud. En Física las magnitudes o conceptos se pueden clasificar u ordenar, de diferente forma, una de ella es ordenarlas tomando en cuenta su origen, en este caso las llamaremos : a) Fundamentales. b) Derivadas. son aquellas que no pueden ser definidas o expresadas a partir de otras. Un ejemplo de magnitud fundamental es la longitud. La longitud es un concepto primario, una noción que no podemos definirla en términos de otros conceptos más básicos. Las magnitudes fundamentales

son aquellas que se expresa en función de otras magnitudes fundamentales o derivadas, por lo general corresponde a producto o razones entre magnitudes fundamentales, por ejemplo el volumen se expresa como un producto de tres longitudes y por lo tanto es una magnitud derivada, otro ejemplo es la densidad que corresponde al cociente entre la masa y el volumen. Las magnitud derivada

Históricamente las magnitudes fundamentales fueron definidas por primera vez en el sistema M.K.S. el cuál solo consideraba la longitud, la masa y el tiempo. El sistema de unidades adoptado oficialmente desde 1960 por casi todos los países del mundo es el Sistema Internacional (S.I.) y tiene como unidades fundamentales las siguientes: Longitud, tiempo, masa, intensidad de corriente eléctrica, temperatura, intensidad luminosa y cantidad de sustancia. (El sistema M.K.S. y el sistema S.I. tiene definiciones diferentes para sus magnitudes fundamentales, en el primer caso las magnitudes defendías fueron tres en cambio en el segundo sistemas las magnitudes definidas son siete)



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TABLA DE MAGNITUDES FUNDAMENTALES, UNIDADES DE MEDIDA Y SÍMBOLO DEL S.I. Magnitud Física Longitud Masa Tiempo Intensidad de C. Eléctrica Temperatura Cantidad de Sustancia Intensidad luminosa

Unidad metro kilogramo segundo Ampere Kelvin mol candela

Símbolo m kg s A K mol cd

Las unidades derivadas se expresan algebraicamente en función de las unidades fundamentales por medio de símbolos matemáticos de multiplicación y división. La siguiente tabla informa de algunas magnitudes derivadas con sus respectivas unidades de medida: Magnitud Física

Unidad

Rapidez Aceleración Fuerza Impulso Energía

Unidades físicas en SI m/s m/s2 Kg m s-2 Kg m s-1 Kg m2 s-2

metro / segundo metro /segundo cuadrado Newton Newton segundo Joule 

Prefijos más usados Al entregar la información sobre magnitudes fundamentales en algunas ocasiones es necesario registrar cantidades muy granes o muy pequeñas, para ello se utilizan prefijos los cuales simplifican la notación. La tabla informa de algunos prefijos: Potencia 109 10 103 102 101 10-1 10-2 10-3 1010-9 10-12 10-15 10-18

Prefijo giga mega kilo hecto deca deci centi mili micro nano pico femto ato

Símbolo G M K H D d c m μ η

P f a

NOTACIÓN CIENTÍFICA Algunos magnitudes físicas tienen valores muy grandes y otras muy pequeño, como por ejemplo: a) La masa de la Tierra expresada en kg, tiene un valor aproximado de: 6 000 000 000 000 000 000 000 000 kg b) La masa del electrón expresada en kg es aproximadamente: 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 911 kg



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Como se puede observar estas cantidades son difíciles de leer y de escribir, no cabe duda que resulta más fácil de trabajar si estos números se pueden abreviar, utilizando por ejemplo potencias de diez. Este método recibe el nombre de notación exponencial, por lo que la notación científica se basa en este método. Un ejemplo de notación científica es: 1  M M 10n , donde

n  Z 



 10



n  Z 

el número es grande



el número es pequeño

Por lo que la masa de la Tierra se puede expresar en notación científica como: 6,0 1024 kg

En este caso la coma decimal ha corrido 24 cifras hacia la izquierda hasta llegar a la cifra 6



la masa del electrón se expresa como: 9,1 10-31 kg 

aquí la coma decimal se corrió 31 cifras hacia la derecha hasta encontrar la primera cifra diferente a cero.

ANÁLISIS DIMENSIONAL DE UNA MAGNITUD FISICA La palabra dimensión en fisica, denota la naturaleza física de una magnitud, por ejemplo la distancia entre dos puntos se pude medir en metro, centímetro, kilómetro, etc por lo que su dimensión es de longitud. Los símbolos que se utilizan para un análisis dimensional de longitud, masa y tiempo son L, M y T, respectivamente . Para denotar las dimensiones de una cantidad física se suele utilizar paréntesis de corchetes [ ]. Ecuaciones dimensiónales: Recibe este nombre aquellas relaciones de igualdad, mediante las cuales, una magnitud derivada queda expresada mediante las magnitudes fundamentales. Si [x] es una magnitud derivada, como por ejemplo fuerza, su relación dimensionada sería: 

[F] = [m]· [ a] = [ m] ·

V

t 

= Ma Lb Tc

En esta relación los exponentes a, b y c, pertenecen al conjunto de los reales e indican el número de veces que se repite una magnitud fundamental en una magnitud derivada. En este caso a=1, b =1 y c = - 2. [F] = M·L· T-2 Ej.: 2.- Area [A]: Por ejemplo en un rectángulo la relación operacional es A = b h, donde b es la base y h la altura del rectángulo. Como b y h son ambas longitudes, se tiene que la relación dimensional del área es: 

[A ]= L· L = L2

relación dimensional , Su unidad en S. I. es m2

2.- rapidez media [vm]: vm =

d t

relación operacional, siendo Δd = variación de distancia y Δt =

variación de tiempo, por lo que se tiene que: [vm] =

L T



[vm] = L T-1 relación dimensional Su unidad en S. I. m s-1 

El análisis dimensional se utiliza para verificar si el desarrollo del cálculo de una magnitud derivada es correcto; facilita la comprobación rápida del resultado.



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APLICACIONE DE DESARROLLO 1. A continuación se da una lista de magnitudes físicas. Subraye las magnitudes derivadas. Fuerza - rapidez - peso - tiempo - longitud - masa - aceleración - corriente eléctrica - densidad - temperatura - área - volumen - energía. 2. Exprese en segundo: a) 1 hora 10 minutos = b) 1/2 hora 5 minutos = 3. Exprese en horas: a) 7200 segundos = b) 30 minutos 900 segundos = 4. Escriba los siguientes números usando la notación común. a) 3,6 · 104 = b) 5,4 · 10-1 = c) 3,16 ·107 = 5. Expresar t = 45 min en; a) s = b) h = 6. Expresar 0,002 días en segundos. 7. Efectuar las siguientes operaciones expresando los resultados en unidades S.l. a) 18.000 cm + 100 m + 0,04 km = b) 0,25h + 1,5 min + 10 s = c) 2 · 105 gr + 1 · 105 kg = 8. En 1 s la luz recorre 300.000 km ¿Cuántos metros recorre la luz en 1 día. Exprese el resultando usando potencia de 10......................................................................... 9. En 1s la luz recorre 300.000 km. Si el largo de Chile continental es aproximadamente 4200 Km, determine cuantos segundos se demora la luz en recorrer Chile a lo largo 10. La distancia media entre la Tierra y el Sol es de 150.000.000 km ¿Cuántos segundos emplea la luz solar en viajar hasta la Tierra? 11. En 1 cm3 se contabilizan 5500 moléculas de un gas X . ¿cuántas partícula existirán en un envase, cuyas dimensiones son: largo de 40 cm, ancho de 20 cm y alto 10 cm? 12. La distancia media de la Tierra al Sol es de 1,49· 108 km y la distancia media de la Tierra a la Luna es 3,8·105 km. ¿Cuál es la distancia entre el Sol y la Luna cuando están alineados y la Tierra entre ellos?...................................................................... 13. La masa del Sol es Ms = 2·1030 kg y la masa de la Tierra es Mt = 5,98·1024 kg. a) Hallar la razón Ms/Mt b) ¿A que corresponde el valor obtenido en el cociente anterior?



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Instrucción para las preguntas de ensayo Se recomienda trabajar las siguientes preguntas en un máximo de 30 minutos

PRUEBA Ciencia, Física y Magnitudes Fundamentales 1) De las siguientes opciones, ¿cuál corresponde a una magnitud fundamental? A) B) C) D) E)

área volumen tiempo rapidez aceleración

2) Los prefijos mili, micro y nano corresponde respectivamente a las siguientes potencias A) B) C) D) E)

10-6 ; 10-12 ; 10 -15 ; 10-10 ; 10- 3 ;

10-9 10-9 10-10 10-8 10-6

;10-12 ;10-6 ;10-6 ;10-6 ;10-9

3) Un rectángulo de lados a y b, cuyas dimensiones son 20 cm y 0,5 m respectivamente, tiene un área expresado en el sistema internacional de valor : A) B) C) D) E)

10 cm2 10 m2 0,1 cm2 0,1 m2 N. A.

a b

4) El tiempo que tarda la Tierra en efectuar una rotación en torno a su eje (un día), expresado en el S.I. y en notación científica es aproximadamente de: A) B) C) D) E)

0,8 · 105 s 9,6 · 104 s 8,6 · 104 s 8,6 · 102 s N.D.L.R.A.

5) En una probeta graduada en cm 3 se observa que 300 gotas de agua, ocupan un volumen de 10 cm3. El volumen de una gota de agua es de: A) B) C) D) E)

30 cm3 3 cm3 0,3 cm3 3,3 · 10-2 cm3 N.D.L.R.A.

6) De las siguientes opciones, indique en cual de ellas, todas las magnitudes son derivadas A) B) C) D) E)

Masa, rapidez y tiempo Masa , tiempo y carga eléctrica Rapidez, aceleración y longitud Masa, longitud y aceleración Rapidez, peso y energía



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7) Una piscina tiene una forma irregular, cuyo volumen es de 10 m3. ¿Cuantos litros de agua necesita la piscina para ser llenada completamente? A) B) C) D) E)

103 litros 104 litros 105 litros 106 litros 107 litros

8) La rapidez de la luz en el vació es aproximadamente 3 · 105 km/s Por tanto la rapidez de la luz en el vació expresada en unidades del Sistema Internacional es de: A) B) C) D) E)

3 · 104 m/s 3 · 105 m/s 3 · 106 m/s 3 · 108 m/s 3,6 · 103 m/s

9) El perímetro de un triángulo de lados ; a = 3 dm, b = 40 cm y c = 0,5 m, en Sistema Internacional (S.I.) es: A) B) C) D) E)

43,5 m 70,5 m 1,2 m 12,0 m N.A.

c

a b

10) La densidad del aire es de 1,29 · 10-3 g/cm3, la misma densidad expresada en Kg/m3 es de: A) B) C) D) E)

1,29 · 100 1,29 · 101 1,29 · 102 1,29 · 103 N.D.L.R.A.

11) Dadas las siguientes magnitudes físicas con sus respectivas unidades de medida, indique cuál de ellas no esta expresada en el S.I. A) B) C) D) E)

Longitud .................metro Tiempo....................segundo Rapidez...................metro/segundo Energía...................Joule Temperatura...........Celsius

12) El átomo de hidrógeno tiene un radio de 5 · 10-9 cm. Supón que se ponen en fila los átomos de hidrógeno y se tocan tangencialmente entre ellos. ¿Cuántos átomos de este elemento se podrán poner en fila para conformar una línea que mida 15 mm? A) 3 · 10 9 B) 3 · 10 8 C) 6 · 10 -9 D) 15 · 10 8 E) 1,5 · 10 8 13) En el átomo de hidrógeno, el electrón gira en forma periódica en torno al protón, demorándose completar una vuelta. ¿Cuántas vueltas dan en una hora? A) B) C) D) E)

3,6 · 1010 3,6 · 107 3,6 · 1013 3,6 · 10-13 2,8 · 10-14


10-10 s en


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14) ¿En cual de las siguientes opciones las unidades de medida entregadas, corresponden solo a magnitudes fundamentales? A) B) C) D) E)

metro, Newton, Kilogramo metro, Kelvin, candela kilogramo, metro, Newton Joule, Kelvin, Newton milímetro, candela. Joule

15) El radio del Sol es aproximadamente 7,0 · 108 m, en cambio el radio terrestre es aproximadamente 6400 km. ¿Con cuál de las siguientes expresiones, se puede determinar la cantidad de Tierras que se pueden ubicar en línea recta una al lado de la otra para cubrir completamente el diámetro del Sol? A) B) C) D) E)

7,0 · 108 / 6,4 · 103 7,0 · 108 / 6,4 · 1011 7,0 · 108 / 6,4 · 106 6,4 · 103 / 7,0 · 108 6,4 · 108 / 7,0 · 103

16) Un vehículo se mueve a 90 m/s. Si la rapidez anterior se expresa en km/h, ¿cuál opción corresponde a este valor? A) B) C) D) E)

25 km/h 1500 km/h 900 km/h 360 km/h 324 km/h

17) Siendo x una longitud y t un tiempo en la relación x = K1 + K2 t+ (1/2)Ka t2, la dimensión de K2 y K a deben ser respectivamente:

K2 L L LT LT -2 LT -1

A) B) C) D) E)

Ka L LT -1 L LT LT -2

18) La unidades de medida de una fuerza se da en kg m 

s2

y si las dimensiones de longitud, masa y tiempo

son respectivamente. L, M y T ¿ Cuál de las siguientes opciones corresponde a la dimensión de la fuerza? A) B) C) D) E)

M MLT 2 ML MLT -2 MLT


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