Guia FIS200L manuel soria guia para laboratorio de fis200................................... PDF

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____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________CONTENIDOPág.1 2 3 4 5 6 7 8 9101112131415INSTRUMENTACIÓ...

Description

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PRESENTACIÓN

Esta undécima edición del texto Física Experimental continúa incluyendo experimentos de laboratorio que pueden emplearse como complemento de un curso teórico de física básica, de nivel universitario, que abarque los temas de electricidad, magnetismo y óptica. En esta ocasión se ha revisado la mayoría de los experimentos, debido principalmente a la introducción del generador de funciones digital. El uso de este equipo facilitará a los estudiantes la realización del trabajo experimental y les posibilitará un mejor aprovechamiento del mismo. El objetivo general de los experimentos es que el estudiante pueda mostrar y verificar, en forma práctica, los conceptos, principios y leyes estudiados en el correspondiente curso teórico, y reflexionar sobre los mismos. Para cada experimento se incluye un resumen de la teoría necesaria, así como un cuestionario de razonamiento, deducción e investigación. Sin embargo, para el primer tema, se recomienda a los docentes impartir una clase previa en la que se expongan las características de una señal periódica y los principios de funcionamiento del generador de funciones digital y del osciloscopio digital. El tratamiento de los datos obtenidos en laboratorio requiere del conocimiento de técnicas estadísticas básicas, que normalmente se incluyen en un curso inicial de física experimental. Agradezco a los docentes y estudiantes que acogieron esta obra desde su primera edición (1999) puesto que contribuyeron a la constante renovación de la misma y a la materialización de esta undécima publicación.

La Paz, febrero de 2020.

Manuel R. Soria R.

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CONTENIDO Pág. 1

INSTRUMENTACIÓN

2

CAPACITANCIA

14

3

FUERZA MAGNÉTICA

19

4

MOVIMIENTO DE ELECTRONES EN UN CAMPO MAGNÉTICO

23

5

GALVANÓMETRO TANGENTE

27

6

LEY DE FARADAY

30

7

INDUCTANCIA - I

35

8

INDUCTANCIA - II

40

9

OSCILACIONES ELECTROMAGNÉTICAS

44

10

CORRIENTE ALTERNA

48

11

RESONANCIA

53

12

FIGURAS DE LISSAJOUS

57

13

TRANSFORMADORES

61

14

ÓPTICA GEOMÉTRICA - I

65

15

ÓPTICA GEOMÉTRICA - II

70

HOJAS DE DATOS

7

75-103

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FÍSICA EXPERIMENTAL MANUEL R. SORIA R. __________________________________________________________________________________________________________________________

1

INSTRUMENTACIÓN

OBJETIVOS. Utilizar el generador de funciones digital y el osciloscopio digital a un nivel básico. Realizar mediciones. Obtener señales prefijadas. FUNDAMENTO TEÓRICO. 1. Generador de funciones. En la Figura 1 se representa el generador de funciones a ser empleado. Este equipo produce voltajes que varían periódicamente en el tiempo (señales periódicas). A continuación se describen los componentes y opciones del equipo que serán usados.

Figura 1 Botón de encendido (1)

Enciende y apaga el equipo.

Output 50W W (2) Si el botón ON (3) está encendido, este conector proporciona la señal de salida . La indicación "50W W" es el valor de la resistencia de salida . El terminal externo del conector es el terminal

de referencia, 0[V], tierra o GND (ground). Botones de forma de onda (4) Seleccionan la forma de onda de la señal de salida y muestran en la Pantalla (5) el menú de forma de onda (en la Figura 1 se ve este menú para una señal senoidal). Teclas de función (6) En el menú de forma de onda, F1, F2 y F3 permiten seleccionar la frecuencia, la amplitud y el nivel DC de la señal de salida, respectivamente; esas características se pueden cambiar __________________________________________________________________________________________________________________________

7

INSTRUMENTACIÓN __________________________________________________________________________________________________________________________

de dos maneras: La primera consiste en introducir su valor con el Teclado Numérico (7) y sus unidades con las Teclas de Unidad (8). La segunda consiste en usar las Teclas de Cursor (9) para ubicar el cursor de la pantalla debajo del dígito que se desee cambiar y girar la Perilla Rotatoria (10). Los terminales del conector de salida de señal no deben cortocircuitarse y tampoco se deben establecer frecuencias por encima de 100[kHz].

2. Osciloscopio. En la Figura 2 se representa el osciloscopio a ser empleado. Este equipo posee dos canales; es decir, puede operar con dos señales de entrada. También tiene dos formatos de presentación en pantalla: en el formato Y(t) muestra voltajes (eje vertical) en función del tiempo (eje horizontal) y en el formato XY muestra gráficas cuyos puntos tienen coordenadas x,y determinadas por las señales de los canales 1 y 2, respectivamente. A continuación se describen los componentes y opciones del equipo que serán usados.

Figura 2 ON/OFF (1) Enciende y apaga el equipo. CH1 (2), CH2 (3) Conectores para las señales de entrada de los dos canales. VERTICAL (4) Controles verticales: POSICIÓN Controlan la posición vertical del trazo de cada canal. __________________________________________________________________________________________________________________________

8

INSTRUMENTACIÓN __________________________________________________________________________________________________________________________

Muestran el menú vertical de cada canal y activan y desactivan el canal. La desactivación se produce si se presionan cuando el menú del canal está en pantalla.

CH1 MENU, CH2 MENU

VOLTS/DIV Seleccionan el factor de escala vertical (voltajes). HORIZONTAL (5) Controles horizontales: POSICIÓN Controla la posición horizontal de todos los trazos. ESTABL EN CERO Ubica el tiempo cero en la línea vertical central de la pantalla. SEC/DIV Selecciona el factor de escala horizontal (tiempos) de los dos canales.

Controles de disparo. En el tipo de disparo por flanco (que es el que se usará) el disparo se produce cuando la señal de disparo llega al nivel de disparo teniendo la pendiente de disparo seleccionada. Cuando el osciloscopio detecta un disparo, toma ese instante como tiempo cero en el trazado de la(s) señal(es) de entrada. DISPARO (6)

TRIG MENU Muestra el menú DISPARO. Con la opción Tipo se selecciona el tipo de disparo (se usará Flanco). Con la opción Fuente se selecciona la señal de disparo. Con la opción Pendiente se selecciona la pendiente de disparo. Con la opción Acoplamiento, se puede seleccionar algún

tipo de acoplamiento de la señal de disparo que ayude a obtener un trazado estable de la(s) señal(es) de entrada. NIVEL Establece el nivel de disparo. ESTABL EN 50% Establece el nivel de disparo en el centro de los niveles máximo y mínimo de la señal de disparo. MANDO MULTIUSO (7)

Su función depende del menú que se esté utilizando. Si está activo, el LED

adyacente se ilumina. BOTONES DE CONTROL Y DE MENÚ (8): CONFIG. PREDETER.

Recupera la configuración de fábrica, que es una configuración usual.

Establece automáticamente los controles del osciloscopio para generar una presentación útil de las señales de entrada. AUTOCONFIGURAR

MEDIDAS, CURSORES, ADQUISICIÓN y PANTALLA Muestran los menús correspondientes. BOTONES DE OPCIÓN (9) Seleccionan las opciones disponibles en los menús y que aparecen a su lado

en la pantalla. PANTALLA (10) Representada en la Figura 3, muestra los trazos de las señales y otras indicaciones; de

las cuales, las más usuales, se describen a continuación: __________________________________________________________________________________________________________________________

9

INSTRUMENTACIÓN __________________________________________________________________________________________________________________________

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 12

11

Figura 3 1 Modo de adquisición. El ícono corresponde al modo promediado. 2 Estado de disparo. El ícono indica que el osciloscopio ha detectado un disparo. 3 Ubicación del disparo horizontal (tiempo cero). 4 Tiempo de la línea vertical central. 5 Ubicación del nivel de disparo. 6 Nivel de referencia (0[V] o GND) de cada canal. 7 Factor de escala vertical de cada canal. 8 Factor de escala horizontal. 9 Fuente de la señal de disparo. 10 Tipo de disparo seleccionado. El ícono corresponde al disparo por flanco ascendente (pendiente positiva) y el ícono corresponde al disparo por flanco descendente (pendiente negativa). 11 Nivel de disparo. 12 Frecuencia de disparo. PROCEDIMIENTO. 1. Encender el generador de funciones y el osciloscopio y conectarlos como se muestra en la Figura 4. El terminal GND (referencia o tierra) es el conector negro de los adaptadores que se usan. En el osciloscopio, presionar CONFIG. PREDETER. para eliminar alguna configuración extraña que pueda tener el instrumento. Luego, presionar AUTOCONFIGURAR y, para reducir el ruido en el trazo, presionar los botones en la siguiente secuencia: ADQUISICIÓN►Promedio (una denominación que tiene sólo la primera letra en mayúscula, corresponde a un botón de opción). __________________________________________________________________________________________________________________________

10

INSTRUMENTACIÓN __________________________________________________________________________________________________________________________

GND

GND

Figura 4 2. En el osciloscopio, para que los factores de escala vertical sean los correctos, se debe establecer el factor de atenuación de la sonda utilizada para introducir señales. En este caso, se usa un conector sin atenuación; por tanto, en el osciloscopio ejecutar: CH1 MENU►Sonda►Voltaje y presionar Atenuación repetidamente hasta que aparezca 1x (en la Figura 3 se muestra el menú vertical del canal 1). Presionar Atrás. Cuando se use el canal 2 deberá hacerse lo mismo en el menú de este canal. 3. Con la ayuda del osciloscopio, en el generador de funciones revisar cómo se establecen las características de la señal generada. En el osciloscopio, revisar las funciones descritas en el FUNDAMENTO TEÓRICO, poniendo especial atención en el sector de disparo.  Mediciones. 4. En el generador de funciones seleccionar una señal senoidal y, con los teclados numérico y de unidades, establecer una frecuencia de 1.25[kHz], una amplitud de 3[V] y un nivel DC de 0.6[V]. En el osciloscopio pulsar ESTABL EN 50% y, con los controles de factores de escala y posición, lograr un trazo como el de la Figura 5. 5. El osciloscopio realiza varias mediciones en forma automática, pudiendo mostrarse simultáneamente hasta cinco medidas en la pantalla, en correspondencia con los cinco Figura 5 botones de opción. Para ello, se debe pulsar MEDIDAS y un botón de opción al lado del cual se desea desplegar la medida de interés; luego, presionando repetidamente Fuente se selecciona la procedencia de la señal que se medirá; del mismo modo, con Tipo se selecciona la medida y con el botón Atrás se muestran todas las medidas seleccionadas. Con este procedimiento, seleccionar (para el canal 1) las medidas Vpico-pico, Max, Min, Frecuencia y Período para que se muestren en la pantalla como se ve en la Figura 5 (los valores pueden ser diferentes). Anotar las medidas obtenidas en la Hoja de Datos. 6. Con las medidas de Vpp y Vmax, calcular la amplitud y el nivel DC de la señal. Es muy posible que la __________________________________________________________________________________________________________________________

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INSTRUMENTACIÓN __________________________________________________________________________________________________________________________

amplitud obtenida no coincida con el valor introducido por el teclado del generador de funciones y que aparece en su pantalla; entonces este último valor deberá tomarse como un valor aproximado. También se notará que el nivel DC es aproximadamente el doble del valor introducido por el teclado. Todo esto se debe a ciertas características del generador de funciones y sólo queda tomarlo en cuenta cuando se desee obtener señales prefijadas. 7. Medir el voltaje de la señal para diferentes instantes de tiempo, tomando como tiempo cero un instante en que la señal se encuentra en su nivel DC y en el tramo de subida. Para ello, pulsar CURSORES y con Tipo seleccionar Tiempo. El osciloscopio muestra dos cursores verticales que se activan con el respectivo botón de opción y se pueden mover con el mando multiuso. Ubicar el Cursor 1 en tiempo cero (el tiempo y el voltaje correspondiente se muestran en pantalla). De ser necesario, ajustar el nivel de disparo para que el voltaje en tiempo cero sea similar al VDC calculado en el punto anterior. Figura 6 La pantalla se debe ver como en la Figura 6. A partir de esta situación, moviendo el Cursor 1, llenar la Tabla 1 de la Hoja de datos.  Obtención de señales prefijadas. 8. Obtener del generador de funciones una señal senoidal que tenga una frecuencia de 2.72[kHz], una amplitud de 1.54[V] y un nivel DC de -0.76[V]. Estas características pueden introducirse inicialmente con los teclados numérico y de unidades, recordando que el nivel DC introducido debe ser la mitad del requerido. Luego, con las teclas de cursor y la perilla rotatoria, hacer los ajustes necesarios para que las medidas automáticas obtenidas con el osciloscopio tengan los valores adecuados. En la pantalla del osciloscopio debe representarse al menos un período completo de la señal y tan grande como sea posible, vertical y horizontalmente. Anotar las medidas obtenidas con el osciloscopio y los factores de escala vertical y horizontal. 9. Obtener del generador de funciones una señal cuadrada con una frecuencia de 1.22[kHz] y que oscile entre -1.40[V] y +3.80[V] (respecto de la referencia).

TRATAMIENTO DE DATOS.  Mediciones. 1. Para la señal del punto 4. del PROCEDIMIENTO, con las medidas obtenidas con el osciloscopio, comparar Vmáx  Vmín con V pp y 1 con f . En todo este texto, cuando se pida comparar dos valores, T debe calcularse la diferencia porcentual correspondiente. __________________________________________________________________________________________________________________________

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INSTRUMENTACIÓN __________________________________________________________________________________________________________________________

2. La señal del punto 4. del PROCEDIMIENTO está dada teóricamente por v  Vm sen  t  VDC . Con los datos tomados con el osciloscopio y los cálculos necesarios, determinar numéricamente esa relación. 3. A partir de la Tabla 1 de la Hoja de Datos, elaborar una tabla t-vexp -vteo calculando vteo con la relación obtenida en el punto anterior. Dibujar la curva vteo vs. t y, en el mismo gráfico, ubicar los puntos correspondientes a vexp.  Obtención de señales prefijadas. 4. A partir de las medidas obtenidas con el osciloscopio, demostrar que la señal obtenida en el punto 8. del PROCEDIMIENTO, tenía la amplitud y el nivel DC requeridos. 5. Para la señal obtenida en el punto 8. del PROCEDIMIENTO, demostrar que no podía tenerse una representación más grande de un período de la señal considerando que los factores de escala vertical van en una secuencia 1-2-5 y que los factores de escala horizontal van en una secuencia 1-2.5-5. 6. Repetir el punto anterior para la señal del punto 9. del PROCEDIMIENTO. CUESTIONARIO. 1. Si se varía el nivel DC de una señal senoidal, ¿variará su amplitud? Explicar. 2. En el osciloscopio, ¿cuál es la diferencia fundamental entre la señal de entrada y la señal de disparo? 3. ¿Qué se puede concluir si, variando el nivel de disparo, no hay variación notable en el trazo de una señal en el osciloscopio? 4. ¿Puede medirse un voltaje constante o continuo con el osciloscopio? Explicar. 5. En el osciloscopio, ¿qué es la velocidad de muestreo y cuáles son sus unidades?

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FÍSICA EXPERIMENTAL MANUEL R. SORIA R. __________________________________________________________________________________________________________________________

2

CAPACITANCIA

OBJETIVOS. Verificar los procesos de carga y descarga de un capacitor en un circuito RC serie excitado por un voltaje constante. Comprobar la relación de la constante de tiempo con la capacitancia y con la resistencia. FUNDAMENTO TEÓRICO. Sea el circuito de la Figura 1 que ha permanecido como se muestra por mucho tiempo. Si en t = 0 el conmutador S se pasa de la posición 1 a la 2, se cumplirá que V  v R  vC (1) y como dv (2) v R  Ri  RC C dt entonces, dv V  RC C  vC dt o bien, dv C V 1 vC   dt RC RC ecuación diferencial cuya solución es vC  vCc V (1  e t / ) donde   RC

vR

2 S

.R

1

V.

i

C

vC

Figura 1

(3)

(4)

(5) (6)

luego, el voltaje sobre el capacitor sube desde cero hasta V (el capacitor se carga) y  , conocida como constante de tiempo, puede interpretarse como el tiempo en que ese voltaje llega a 0.632V. Si el voltaje sobre el capacitor es V y en t  0 el conmutador se regresa a la posición 1, se cumplirá que

0  v R  v C  RC

dv C dt

 vC

(7)

o bien,

dvC

1

vC  0

(8)

v C  vCd  Ve t /

(9)

dt



RC

ecuación diferencial cuya solución es

luego, el voltaje sobre el capacitor baja desde V hasta cero (el capacitor se descarga). __________________________________________________________________________________________________________________________

14

CAPACITANCIA __________________________________________________________________________________________________________________________

En la Figura 2 se representan en forma correlativa el voltaje de excitación del circuito, vE (que corresponde al voltaje en el polo del conmutador S) y el voltaje del capacitor, vC . V. v.E

0

0

t

0´

V. v.C

0.632V.

0

t

Figura 2 Para el análisis práctico de los procesos de carga y descarga de un capacitor, la fuente de tensión continua V y el conmutador S se reemplazan por un generador de funciones que entrega una señal cuadrada oscilando entre 0 y V. Este generador produce cambios similares a los del conmutador, pero en forma periódica; dando lugar a procesos de carga y descarga, también periódicos, que pueden analizarse con un osciloscopio que puede trazar vC en forma similar a como se representa en la Figura 2. Sin embargo, la resistencia de salida del generador de funciones puede no ser despre...