Introducción al Estudio de la Física ¿Qué es la ciencia? ¿Qué es la Física? Relación de la Física con otras ciencias. Historia de la Física. Aplicación de la Física. Método científico. Sistemas de unidades (Internacional, Cgs e Inglés). Múltiplos y submúltiplos. Conversión de unidades. Notación Científica. Definición de magnitudes escalares y vectoriales. Definición de mecánica (Clásica, Relativista, Cuántica).
CIENCIA: En latín cinister que significa “Conocimiento”. Es un conjunto de conocimientos. “ Ciencia es el conjunto de conocimientos sistematizados que se encarga de estudiar cualquier campo”. ALQUIMISTA: Científico, brujo, mago, buscadores de oro, trataban de encontrar la fuente de la eterna juventud. Alquimista viene del griego Khumus que significa ciencia. ¿QUÉ ES CIENCIA?
¿QUÉ ES LA FÍSICA? Physic: naturaleza. Es la ciencia que se encarga de estudiar los fenómenos naturales en los que no hay cambios en la composición de la materia. Solo hay 2 tipos de física: Clásica Física Moderna Newton 1900 Einstein
Clásica (Newton) Solo hay 2 tipos de física: — 1900 Moderna (Einstein) Acústica (estudia los fenómenos relacionados con el sonido) Óptica (estudia los fenómenos relacionados con la luz) RAMAS DE LA FISICA: Termodinámica (estudia los fenómenos relacionados con la temperatura de los cuerpos y las relaciones entre calor y trabajo) Magnetismo (estudia las fuerzas de atracción y repulsión entre cargas) Electricidad (estudia el flujo de los electrones) estática Mecánica dinámica cinemática
Relación con otras ciencias BIOFISICA: Procesos vitales (átomos, electrones y otros.) Fisicoquímica: Interacciones entre átomos y moléculas. Geofísica: Interacciones de las partes componentes de nuestros planeta. Astrofisica: La constitución física de los cuerpos celestes. Ingeniería y Matemáticas. Óptica: estudia los fenómenos relacionados con la luz. Termodinámica: estudia los fenómenos relacionados con la temperatura de los cuerpos y las relaciones entre calor y trabajo.
Historia Hombre primitivo desarrolló su inteligencia para tratar de explicar fenómenos. Antes era un misterio ? ¡Gracias! a la Física. Podemos entender o dar respuestas y todavía algunos están en investigación Su origen inicia: * En los antiguos griegos ? Explicación sobre el origen del universo y el mov. de los planetas. * 500 años antes, Leucipo y Demócrito ? Pensaban que las cosas estaban constituidas por pequeñas partículas. * Otros que la materia ? constituida por 4 elementos básicos : ? * En el año 300 a.c. Aristarco consideraba el mov. de la tierra alrededor del sol.
Hasta el año 1500 de nuestra era se desarrolla un gran interés por la ciencia. Galileo Galilei ? comprueba que la tierra gira alrededor del sol. Crea un telescopio: demuestra que las estrellas están a distancias fabulosas. En Roma la Santa Inquisición obligó a Galileo a retractarse de esas afirmaciones. Galileo muere en 1624, año del nacimiento de Isaac Newton científico Ingles. Newton ? Descubre el mov. de los cuerpos celestes por medio de su “Ley de la Gravitación Universal” A principios del siglo XIX John Dalton consideró que todas las cosas estaban formadas por peq. partículas ? ATOMOS, contribuye a la Teoría Atómica.
En 1896, Beequerel descubre el desprendimiento de partículas más pequeñas que el átomo. Aparecen los experimentos atómicos: Thomson, Rutherford y Bohr, (describen al átomo como un pequeño sistema solar). El descubrimiento de la radiactividad abre un nuevo campo: * La Física atómica y aparecen las teorías: Cuántica de Planck, La de la Relatividad de Einsten y Mecánica Ondulatoria de Broglie. Actualmente el descubrimiento de nuevas partículas fundamentales de vida corta ? Física Nuclear.
Aplicaciones
Método de estudio sistemático de la naturaleza que incluye las técnicas observación, reglas para el razonamiento y la predicción, ideas sobre la experimentación planificada y los modos de comunicar loa resultados experimentales. Etapas del método científico: 1.- Observación. 2.- Planteamiento del problema. 3.- Hipótesis. 4.- Experimentación (análisis, síntesis y confrontación). 5.- Conclusión (Informe de la investigación). Teoría: Es una explicación de algo en la naturaleza, que la evidencia ha apoyado repetidas veces. Ley: es la descripción de algún aspecto de la naturaleza.
PASOS DEL MÉTODO CIENTÍFICO 1.-) OBSERVACIÓN: Consiste en establecer los límites de un nuevo problema basados en la experiencia, es decir, en conocimientos anteriores, de modo tal que los factores poco importantes, no sean considerados. 2.-) HIPÓTESIS: Se postula una teoría que explica el problema.
3.-) EXPERIMENTACIÓN: En este caso se controlan los pocos factores considerados importantes pero de una manera cuantitativa, de tal modo que se pueden variar en cantidad de un modo controlado. 4.-) COMPROBACIÓN: Se trata de determinar si los resultados del experimento encajan dentro de una ley física conocida, pero si esto no sucede, será necesario que el científico establezca una teoría que explique los resultados. Dicha teoría por lo general da lugar a nuevos experimentos que al realizarse pueden cambiar la teoría, señalar algunas modificaciones o mostrar que la teoría no es válida para su objeto de estudio.
1.4 SISTEMA DE UNIDADES UNIDAD DE MEDIDA: Estimación comparativa de dimensión o cantidad. MEDIR: Determinar una cantidad comparándola con su respectiva unidad. SITEMA MÉTRICO DECIMAL: Sistema de pesas y medidas inventado en Francia en 1793, hoy adoptado universalmente para trabajos científicos, y adaptado también para la mayoría de los países para el uso corriente; sus unidades básicas son: Para la longitud, el metro. Para el peso, el gramo. Para el volumen, el litro. Para la superficie, el área.
Despeje de formulas PV=Nrt AB=CD A = C B D (K+1)-(L-Y) = (V+S)2+P
SISTEMA MKS: Es un sistema de unidades coherente para la mecánica cuyas unidades fundamentales son: El metro (m) El kilogramo (kg) El segundo (s) El Amperio SISTEMA INGLÉS DE UNIDADES: Es aún usado ampliamente en los Estados Unidos de América y, cada vez en menor medida, en algunos países con tradición británica. Debido a la intensa relación comercial que tiene nuestro país con los EUA, existen aún en México muchos productos fabricados con especificaciones en este sistema. Ejemplo de ello son los productos de madera, tornillería, cables conductores y perfiles metálicos entre otros.
% Incertidumbre = diferencia incertidumbre X 100 valor real $6.00 $6.50 % incertidumbre = $0.50 X 100 = 7.69 % $7.00 $6.50 % Error Relativo = valor real – valor medido X 100 valor real 8 m (valor real) % error relativo = 8 – 7 X 100 = 12.5 % 7.80 m (valor medido) 8 INCERTIDUMBRE Y VALOR RELATIVO
PRESICIÓN: Es el grado de fidelidad o concordancia con que se mide un cantidad. EXACTITUD: Se refieren a cuanto es lo cercano de una medida a un valor estándar predeterminado. Un ejemplo sería al arrojar un balón de básquetbol a un aro, Si el balón pega en el centro de aro quiere decir que si hay exactitud y precisión. si los tiros pegan juntos en algún lado de la orilla del aro esto quiere decir que no hay exactitud pero si hay precisión. Cuando los balones tocan las orillas del aro (o en el tablero) quiere decir que no hay precisión ni exactitud Si los tiros pegan unos en el centro y otros en las orillas, esto quiere decir que si hay exactitud pero no hay precisión.
Precisión y Exactitud
PARALELAJE: Es el cambio aparente en la posición de un objeto, cuando se observa a ángulos distintos http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/indice.htm densidad:
SON LOS NÚMEROS DE DIGITOS QUE SE CONOCEN CON CERTEZA EN UNA CIFRA. REGLA DE LAS CIFRAS SIGNIFICATICAS REGLA 1.-) Contar a partir de la izquierda e ignorar los ceros iniciales, conservando los digitos hasta llegar al primer dudoso. Es decir X= 3m lo cual solo se obtiene una cifra significativa. En cambio si escribiéramos 3.0 (o en forma equivalente X= 0.0030m ) indicamos que conocemos el valor de X hasta 2 cifras significativas. REGLA 2.-) Cuando se multiplica o se divide el número de las cifras significativas del producto o cociente, no deberá ser mayor que en el de los que se encuentran en el mes preciso de los factores. Por ejemplo 2.3 X 3.14159= 7.2 Se requiere un poco de sentido común cuando se aplica la regla 9.8 X 1.03= 10.1 Porque aunque técnicamente 9.8 tenga solo 2 cifras significativas, le falta poco para ser un número con 3, es decir, expresarse con 3 cifras significativas. CIFRA SIGNIFICATIVA:
REGLA 3.-) Al sumar o restar el digito menos significativo de la suma o diferencia, ocupa la misma posición relativa que el de las cantidades que va a sumarse o restarse. En este caso el número de cifras significativas carece de importancia, lo que importa es la acción. Por ejemplo queremos encontrar la masa total de 3 dígitos: 103.9 kg 2x.10 kg 0.319 106.319 o 106.3 kg El digito menos significativo o el 1er, dudoso esta siempre impreso en rojo conforme a la regla 1, deberíamos incluir solo un digito dudoso, en consecuencia el resultado se expresará como 106.3 kg porque si el 3 es dudoso, el siguiente 19 no importa información y es inútil.
Sub Conversión de Unidades Conversión de Temperaturas Notación Científica Vectores
Pie (ft)= 0.3048m (30.48cm) Libra (lb)= 0.4535 kg Pulgada (inch)= 0.0254 m (2.54 cm) Yarda (yd)= 0.9144 m (91.44 cm) Milla (mi)= 1,609.34 m Pie cúbico (ft3)= 0.0283 m3 Galón (gal)= 3.7854 L Onza (oz)= 29.5735 ml SISTEMA TÉCNICO INGLÉS CONVERSIÓN DE REGLA DE 3 1 ft ———–0.3048m 18 ft———–x x= (18ft) (0.3048m) 1ft x= 5.4864 m
Conversión de Temperaturas 1.- De grados Celsius a Kelvin: K = °C + 273 2.- De Kelvin a grados Celsius: °C = K – 273 3.- De grados Celsius a grados Fahrenheit: °F = (1.8 * °C) + 32 4.- De grados Fahrenheit a grados Celsius: °C = °F – 32 1.8
Notación Científica POTENCIAS DE BASE 10 100 = 1 101 = 10 102 = 100 103 = 1000 106 = 1 000 000 109 = 1 000 000 000 1020 = 100 000 000 000 000 000 000 En física trabajar con magnitudes muy grandes o muy pequeñas como ejemplo : Distancias astronómicas y Masas de los cuerpos celestes: la distancia a los confines observables del universo es ~4,6·1026 m En plano atómico magnitudes y masas: la masa de un protón es ~1,67·10-27 kilogramos 10-1 = 1/10 = 0.1 10-3 = 1/1000 = 0.001 10-9 = 1/1 000 000 000 = 0.000 000 001 10 elevado a una potencia entera negativa -n es igual a 1/10n
Notación Científica POTENCIAS DE BASE 10 100 = 1 101 = 10 102 = 100 103 = 1000 106 = 1 000 000 109 = 1 000 000 000 10-1 = 0.1 10-3 = 0.001 10-9 = 0.000 000 001 Por lo tanto: 156 234 000 000 000 000 000 000 000 000 ? 1.56234 x 1029 0,000 000 000 023 4 ? 2,34 x 10-11 4 x 10 5 = 400 000 3.0 X 10 0 = 6.75 x10 9 = 8.0 x101 = 5680 x 10 5 = 4 x 10 -5 = 0.000 04 6.75 x10-9 = 2.3 x 10-15 = 8.0 x10-1 = 9682.3 x 10-3 =
Notación Científica POTENCIAS DE BASE 10 100 = 1 101 = 10 102 = 100 103 = 1000 106 = 1 000 000 109 = 1 000 000 000 Leyes de potencias 10-1 = 0.1 10-3 = 0.001 10-9 = 0.000 000 001 Adición 10m + 10m = 10 m 5×106 + 2×106 = 7×106 Multiplicación 10m x 10n = 10 m + n (4×106) x (2×106) = 8×1012 División 10m = 10 m – n 9×106 = 3×102 10 n 3×104 Potenciación (10m)n = 10 m x n (3×106)2 = 9×1012 Ejemplo:
10= 1×101 4200= 4.2×103 0.00003= 3×10-5 420,000= 4.2×105 25,000= 2.5×104 0.000500= 5.0×10-4 0.000501= 5.01×10-4= 50.1×10-5= 501X10-6 POTENCIAS DE 10
MAGNITUDES ESCALARES Y VECTORIALES
MAGNITUD: Tamaño de un cuerpo. Toda propiedad de los cuerpos que puede ser medida. EXACTITUD: Se refiere a cuánto es lo cercano a una medida a un valor estándar predeterminado. PRESICIÓN: Es el grado de fidelidad o concordancia con que se mide un cantidad. PARALELAJE: Es el cambio aparente en la posición de un objeto, cuando se observa a ángulos distintos 1.6 DEFINICIONES DE MAGNITUDES ESCALARES Y VECTORIALES
Vectores La magnitud es una cantidad física que está formada por un número y una unidad de medida. Ejem- Distancia , Tiempo, Temperatura, Velocidad, Fuerza Magnitud escalar expresa su cantidad física en números y unidad de medida (magnitud). Ejem- 3 Km., 40 min., 35°C, 20 m/s, 4N Magnitud Vectorial es la cantidad física que tiene magnitud y dirección. Ejem- Desplazamiento 3 m al sur, Aceleración 5 m/s2 hacia el norte Se simboliza con una flecha sobre la letra: V d Si solo desea expresar la magnitud: |V| |d | |a| Gráficamente como un segmento de línea recta con una punta de flecha:
ORIGEN: Punto donde comienza un vector en la gráfica. EXTREMO: Punto donde termina un vector y es representada por una flecha que indica su dirección y sentido.
Componentes de un vector
Representación Grafica de un Vector Tiene un origen (A). La recta que lo contiene señala la dirección. La punta indica el sentido (B). d = 20 m al sureste F = 10 N al norte V = 400 m/s al oeste Escala 1cm = 10 m 1cm = 5 N 1cm = 100 m/s Vector (4,3) Dirección de un vector es expresada con puntos cardenales.
a = 5 cm al norte (90°) b = 9 cm a 45° (NE) c = 2 , 6 d = 2 m al sur e = 10 m al este f = 8 , -2 g = -5, 3 Representa Gráficamente los siguientes Vectores
Vectores Opuestos: Tienen igual magnitud pero dirección opuesta. Vectores Consecutivos: Se trazan uno a continuación del otro. Vectores Concurrentes (ó Angulares): Tienen el mismo origen o el mismo termino, en otras palabras, que salen de un mismo punto o llegan al mismo punto. Representación Grafica de un Vector – a a – b b Casa Escuela
VECTOR COPLANAR: Son los vectores que están dentro de un mismo plano. VECTOR COLINEAL: Son los vectores que están dentro de una misma línea. SENTIDO: Indica hacia donde va el vector, ya sea para arriba, para abajo, para delante o para atrás. Una sola fuerza neutralizada fuerza . duplicada
Consecutivos (método del polígono): El vector resultante de sumarlos (r), es un vector que se traza desde el origen del primer vector, hasta el término del último vector. Suma de Escalares Suma de Vectores : Métodos Gráficos Se realiza con reglas de la aritmética ordinaria: Ejp- 7 m + 8 m = 15 m 15 Kg + 20 Kg = 25 Kg a b r c b a r r = a + b + c
Concurrentes (método del paralelogramo): Se traza una línea recta discontinua que pasa por término de un vector y otro. Vector Resultante: es aquel capaz de sustituir un sistema de vectores. Suma de vectores a = (VF –VI) / (tF – tI)
RESULTANTE: Es decir el vector único que produce el mismo efecto que todo el sistema de vectores. EQUILIBRANTE: Es el vector único capaz de anular los efectos de un sistema de vectores. La componente de un vector en una dirección es su valor efectivo en dicha dirección (-,+) (-,-) (+,+) (+,-) (3,5) (-3,-5)
DIRECCIÓN: Señala la línea sobre la cual actúa, puede ser horizontal, vertical u oblicua. POSICIÓN: Es la localización de un cuerpo respecto al origen de un sistema de referencia en un instante determinado. DIRECCIÓN SENTIDO TRAYECTORIA