Física 1 para Bachilleratos tecnológicos.

225 Pages·2015·10.317 MB·Spanish

by  Héctor Pérez Montiel

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Héctor Pérez Montiel
1
Física
para
Bachilleratos
tecnológicos
P
FÍSICA PARA
BACHILLERATOS
CONTENIDO
TECNOLÓGICOS 1
II
P
FÍSICA PARA
BACHILLERATOS
CONTENIDO
TECNOLÓGICOS 1
Primera Edición ebook, 2015
1
Física
para
Bachilleratos
tecnológicos
Héctor Pérez Montiel
P
FÍSICA
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Física 1 para Bachilleratos tecnológicos
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Primera edición ebook: 2015
(0155) 53 54 91 00
C
FÍSICA 1 PARA
BACHILLERATOS
CONTENIDO
TECNOLÓGICOS
Apartado 1
MOVIMIENTO .............................................................................................................. 2
LA FÍSICA Y SU IMPACTO EN LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA ...................................................................................................... 7
División de la física .................................................................................................................................................................... 8
MÉTODO CIENTÍFICO ..................................................................................................................................................................... 9
Características del método científico .......................................................................................................................................... 10
Método científico experimental .................................................................................................................................................. 10
MAGNITUDES F ÍSICAS Y SU MEDICIÓN ......................................................................................................................................... 13
Sistema Métrico Decimal ............................................................................................................................................................ 14
Magnitudes fundamentales y derivadas ..................................................................................................................................... 15
Definiciones de magnitud, medir y unidad de medida ................................................................................................................ 15
Sistemas de Unidades CGS e Inglés ............................................................................................................................................ 15
Sistema Internacional de Unidades, ventajas y limitaciones ....................................................................................................... 16
Ventajas de utilizar el sistema internacional como sistema único de unidades y algunas limitaciones ....................................... 16
Prefijos usados en el sistema internacional ................................................................................................................................ 17
Notación científica ...................................................................................................................................................................... 18
Principales operaciones utilizando potencias con base 10 .......................................................................................................... 19
Transformación de unidades de un sistema a otro ...................................................................................................................... 20
Transformación de unidades cuadráticas y cúbicas ..................................................................................................................... 23
INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN ...................................................................................................................................................... 24
Magnitudes escalares y vectoriales ............................................................................................................................................. 26
VECTORES ....................................................................................................................................................................................... 26
Cómo establecer la escala de un vector ...................................................................................................................................... 27
Representación gráfica de sistemas de vectores coplanares, no coplanares, colineales y angulares o concurrentes.
Concepto de vectores deslizantes y libres ................................................................................................................................... 27
Sistema de vectores colineales .................................................................................................................................................... 27
Sistema de vectores concurrentes o angulares ............................................................................................................................ 27
Resultante y equilibrante de un sistema de vectores .................................................................................................................. 28
Propiedades de un vector ............................................................................................................................................................ 28
Suma de vectores ........................................................................................................................................................................ 29
Descomposición y composición rectangular de vectores por métodos gráficos y analíticos ....................................................... 31
Resolución de problemas de aplicación práctica de sistemas de vectores colineales y concurrentes,
en forma gráfica y analítica ......................................................................................................................................................... 35
Sistema de fuerzas colineales ..................................................................................................................................................... 35
Suma de dos vectores concurrentes o angulares ......................................................................................................................... 36
Funciones trigonométricas y teorema de Pitágoras ..................................................................................................................... 36
Ley de los senos y ley de los cosenos ......................................................................................................................................... 37
Signos de las funciones trigonométricas seno y coseno .............................................................................................................. 37
Suma de más de dos vectores angulares o concurrentes ............................................................................................................. 41
NOCIONES BÁSICAS SOBRE MOVIMIENTO ................................................................................................................................... 45
Sistemas de referencia absoluto y relativo .................................................................................................................................. 52
MOVIMIENTO EN UNA DIMENSIÓN.............................................................................................................................................. 54
Resolución de un problema de MRU .......................................................................................................................................... 54
Velocidad media ......................................................................................................................................................................... 55
Velocidad instantánea ................................................................................................................................................................. 56
Resolución de un problema de velocidad instantánea ................................................................................................................ 57
Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA) ......................................................................................................... 63
Aceleración media ...................................................................................................................................................................... 63
Aceleración instantánea .............................................................................................................................................................. 63
Resolución de un problema de MRUA e interpretación de gráficas ............................................................................................ 64
Deducción de las ecuaciones utilizadas en el MRUA .................................................................................................................. 65
Caída libre .................................................................................................................................................................................. 75
Efectos ocasionados por la resistencia del aire sobre los cuerpos durante su caída. Velocidad terminal ..................................... 76
Tiro vertical ................................................................................................................................................................................. 76
MOVIMIENTO EN DOS DIMENSIONES........................................................................................................................................... 82
Resolución de un problema de tiro parabólico oblicuo ............................................................................................................... 84
Movimiento circular .................................................................................................................................................................... 89
Movimiento circular uniforme (MCU) ......................................................................................................................................... 92
Interpretación de gráficas magnitud del desplazamiento angular-tiempo y magnitud
de la velocidad angular-tiempo en el MCU ................................................................................................................................. 92
Resolución de un problema de interpretación de gráficas para MCU .......................................................................................... 92
Movimiento circular uniformemente acelerado (MCUA) ............................................................................................................ 95
Resolución de un problema de interpretación de gráficas para MCUA ....................................................................................... 96
Ecuaciones utilizadas en el movimiento circular uniformemente acelerado (MCUA) .................................................................. 97
Grupo Editorial Patria® V
C
FÍSICA 1 PARA
BACHILLERATOS
CONTENIDO
TECNOLÓGICOS
Apartado 2
FUERZA ........................................................................................................................ 126
Concepto de dinámica ................................................................................................................................................................ 130
Concepto de fuerza ..................................................................................................................................................................... 130
Clasificación de las fuerzas fundamentales de la naturaleza ....................................................................................................... 130
Tipos de fuerza: de contacto y a distancia ................................................................................................................................... 131
Carácter vectorial de una fuerza .................................................................................................................................................. 132
Uso del dinamómetro para medir fuerzas ................................................................................................................................... 132
Unidades para medir fuerza ........................................................................................................................................................ 132
Masa y peso de los objetos ........................................................................................................................................................ 133
Fuerzas de fricción estática y dinámica o cinética ....................................................................................................................... 133
Ventajas y desventajas de la fricción .......................................................................................................................................... 134
Antecedentes históricos del estudio del movimiento mecánico (Aristóteles, Galileo Galilei, Isaac Newton) .............................. 137
LEYES DE LA DINÁMICA .................................................................................................................................................................. 138
Ley de la inercia o primera ley de Newto n .................................................................................................................................. 138
Segunda ley de Newton o ley de la proporcionalidad entre fuerzas y aceleraciones ................................................................... 139
Tercera ley de Newton o ley de la acción y la reacción................................................................................................................ 140
El Universo ................................................................................................................................................................................. 143
Velocidad y aceleración tangencial ............................................................................................................................................. 144
LEYES DE KEPLER ............................................................................................................................................................................. 144
LEY DE LA GRAVITACIÓN UNIVERSAL........................................................................................................................................... 145
Estática ....................................................................................................................................................................................... 153
CONDICIONES DE EQUILIBRIO ...................................................................................................................................................... 157
Equilibrio de traslación ............................................................................................................................................................... 157
Equilibrio de rotación .................................................................................................................................................................. 158
Apartado 3
MASA .......................................................................................................................... 172
TRABAJO ......................................................................................................................................................................................................................... 176
Expresión matemática para el trabajo y la gráfica que lo representa .......................................................................................................................... 176
Trabajo positivo y negativo ........................................................................................................................................................................................ 176
POTENCIA ....................................................................................................................................................................................................................... 179
ENERGÍA CINÉTICA Y ENERGÍA POTENCIAL ................................................................................................................................................................... 181
Tipos de energía........................................................................................................................................................................................................ 181
Definición de energía ................................................................................................................................................................................................. 182
El joule y el ergio como las unidades en que se mide el trabajo, la energía cinética y la potencial ............................................................................ 183
Energía potencial gravitacional (EPG) ........................................................................................................................................................................ 183
Energía potencial elástica........................................................................................................................................................................................... 184
Energía cinética .......................................................................................................................................................................................................... 184
Energía cinética traslacional (ECT) ............................................................................................................................................................................. 185
Cambio de energía cinética traslacional (DECT) 5 trabajo (T) ................................................................................................................................... 185
Energía cinética rotacional (ECR) ............................................................................................................................................................................... 185
Rapidez traslacional y rapidez rotacional ................................................................................................................................................................... 186
Inercia rotacional ....................................................................................................................................................................................................... 186
LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA .............................................................................................................................................. 186
El calor como una forma de energía que resulta de la acción de fuerzas disipativas .................................................................................................. 187
Fuentes de energía ..................................................................................................................................................................................................... 192
ANEXO 1: TABLA DE EQUIVALENCIAS ENTRE LAS UNIDA DES DE MEDIDA DE ALGUNAS MAGNITUDES FÍSICAS.......................................................... 203
ANEXO 2: ALFABETO GRIEGO ........................................................................................................................................................................................... 204
ANEXO 3: CONSTANTES FÍSICAS Y SUS VALORES ............................................................................................................................................................. 204
RESPUESTAS DE LOS EJERCICIOS....................................................................................................................................................................................... 205
GLOSARIO .......................................................................................................................................................................................................................... 209
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................................................................. 213
ÍNDICE ALFABÉTICO......................................................................................................................................................................... 213
VI
P
FÍSICA PARA
Introducción CONTENIDO BACHILLERATOS
TECNOLÓGICOS 1
Física 1 para bachilleratos tecnológicos tiene la finalidad de contribuir a lograr que los
estudiantes desarrollen su capacidad de aprender a aprender, y que de una manera
amena e interesante, construyan su aprendizaje. Es por ello que se ha procurado
atender el propósito central de la actualización de los programas de estudio del
Bachillerato Tecnológico, de tal manera que se avance en el despliegue de una
educación centrada en el aprendizaje.
Deseamos que este libro sea un importante apoyo para los estudiantes de los dife-
rentes subsistemas de Bachillerato Tecnológico, como los que corresponden a la
Educación en Ciencia y Tecnología del Mar (DGECYTM), Educación Tecnológica
Agropecuaria (DGTA), Educación Tecnológica Industrial (DGETI) y los Colegios de
Estudios Científicos y Tecnológicos de los Estados (CECyTEs).
En este libro se han atendido las competencias genéricas, disciplinares básicas y ex-
tendidas que conforman el Marco Curricular del Sistema Nacional del Bachillerato, así
como los conceptos fundamentales y subsidiarios de la asignatura, para propiciar
la construcción de aprendizajes significativos. También esperamos contribuir en el
desarrollo integral de los estudiantes a partir de sus necesidades e intereses como
individuos y como miembros de una sociedad basada en el desarrollo sustentable y
en valores acordes con la justicia, la identidad nacional y la soberanía, preparándolos
para comprender y valorar la tecnología como un instrumento clave en el desarrollo
social, la investigación científica y sus aplicaciones en la medicina, astronomía, desa-
rrollo tecnológico y en la generación de energía pura, entre otras.
El libro contribuye a lograr los propósitos de la materia de Física, de tal manera que
el estudiante desarrolle competencias genéricas y disciplinares al abordar aspectos
relacionados con los conceptos fundamentales: Movimiento, fuerza masa e interac-
ciones materia-energía, para reconocer, comprender y explicar fenómenos físicos
que se presentan en su entorno, proponer soluciones y generar proyectos que inci-
dan en el mejoramiento de su vida cotidiana y las condiciones sociales, en sus activi-
dades laborales o de estudios superiores.
Contribuye a lograr los propósitos de la asignatura de Física 1 para que el estudian-
te identifique los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen en los distin-
tos tipos de movimiento que efectúan los cuerpos, en la rama de la mecánica clásica,
de tal manera que adquiera habilidades para identificar, plantear, formular y resolver
preguntas o problemas relacionados con fenómenos físicos presentes en su entorno,
a través de modelos matemáticos y actividades experimentales.
El programa de Física 1 tiene los siguientes conceptos fundamentales: Movimiento,
fuerza y masa. Éstos integran los conceptos subsidiarios de los diferentes tipos de
Grupo Editorial Patria® VII
I
FÍSICA 1 PARA
BACHILLERATOS
INTRODUCCIÓN
TECNOLÓGICOS
movimiento mecánico. Requiere que el estudiante de Física desarrolle la capacidad
para resolver problemas abstractos y reales, empleando los diferentes sistemas de
unidades, que desglose e interprete los modelos matemáticos, principios y leyes re-
lacionados con las ramas de la mecánica clásica: cinemática, estática, como el equili-
brio de los cuerpos, así como de la dinámica con las leyes de Newton y los conceptos
de fricción, energía mecánica, trabajo y potencia.
Los contenidos procedimentales para el desarrollo de habilidades en Física están
organizados en cinco procesos:
1. Conocimiento científico: reconoce información científica. Indaga en la informa-
ción científica, investiga, discrimina la información y la clasifica.
2. Comprensión del entorno: reconoce lo que se ha aprendido para buscar relacio-
nes asociando la información a otros hechos e interpreta o determina las causas o
consecuencias.
3. Aplicación del conocimiento: transfiere y utiliza datos y leyes para completar una
tarea de manera autónoma. Aplica las habilidades adquiridas a nuevas situacio-
nes. Problematiza y propone soluciones.
4. Análisis de la información: clasifica y relaciona evidencias o estructuras de un
hecho para elaborar hipótesis. Soluciona problemas a partir del conocimiento ad-
quirido. Desarrolla conclusiones divergentes que corroboran sus generalizaciones.
5. Integración del aprendizaje: integra ideas y propone nuevas maneras de hacer,
aplicando el conocimiento y las habilidades anteriores para producir algo nuevo u
original.
VIII
I
FÍSICA 1 PARA
BACHILLERATOS
INTRODUCCIÓN
TECNOLÓGICOS
Es importante el siguiente señalamiento que se hace en el programa de Física referen-
te a su operación: los conceptos fundamentales son elementos organizadores de la
práctica educativa y no deben entenderse sólo como conocimientos o temáticas disci-
plinares, sino como el pretexto para la práctica de valores, actitudes, habilidades y ca-
pacidades que contribuyen a desarrollar competencias que le posibiliten al estudiante
comprender el mundo e influir en él. Recomienda integrar conocimientos de las cien-
cias, tecnología y las humanidades en cada una de las actividades de aprendizaje.
Este libro está hecho con un enfoque por competencias, por lo que contiene múlti-
ples experiencias que le permiten a los estudiantes movilizar sus saberes dentro y
fuera del aula. De tal manera que siempre que sea posible, logren aplicar lo aprendi-
do en situaciones cotidianas y consideren las probables repercusiones personales,
sociales y ambientales que implican dichas aplicaciones.
Educar por competencias incluye saber pensar para poder hacer con una actitud
determinada. En donde el saber es el conocimiento, el pensar las habilidades y hacer
son las destrezas junto con las actitudes.
El libro se ha organizado de acuerdo con la estructura oficial de la asignatura de Física 1
para los bachilleratos tecnológicos, y cuyo mapa consta de los siguientes conceptos
fundamentales: movimiento, fuerza y masa. Cada concepto fundamental inicia con una
evaluación diagnóstica y un tema integrador. De esta manera, la estrategia didáctica está
constituida por una serie de actividades que contribuyen a que el estudiante aprenda a
aprender y construya su conocimiento. Se organiza en tres momentos:
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