FÍSICA Y QUÍMICA 3º Y 4º DE ESO

PRÁCTICA 3º ESO

APROXIMACIÓN AL TRABAJO CIENTÍFICO: ESTUDIO DEL PÉNDULO SIMPLE

OBJETIVO: Realizar una pequeña investigación científica suponiendo que se está ante un problema no resuelto y proceder, a grandes rasgos, como lo haría un científico. Para ello el trabajo se divide en etapas que suelen constituir el denominado “método científico”

MATERIAL: aguja, hilo, plastilina, papel de aluminio, bola de corcho, cronómetro, regla, semicírculo graduado, soporte y nuez, papel milimetrado y calculadora.

INTRODUCCIÓN:

Llamamos péndulo simple a un ente ideal constituido por una masa puntual suspendida de un hilo inextensible y sin peso, capaz de oscilar libremente en el vacío y sin rozamiento.

Al separar la masa de su posición de equilibrio y soltarla, oscila a ambos lados de dicha posición, realizando un movimiento vibratorio.

Periodo T: Tiempo utilizado en realizar una oscilación completa

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Cuando un péndulo simple se separa un ángulo α de su posición de equilibrio y se suelta, empieza a oscilar. ¿Qué magnitudes físicas afectan a su período T?

2. ESTUDIO BIBLIOGRÁFICO

Ante un problema científico se debe averiguar si ya ha sido abordado o resuelto. El problema propuesto está, evidentemente, resuelto, pero se trata de proceder como si no lo estuviera.

3. EMISIÓN DE HIPÓTESIS

Observar cómo oscila un péndulo y anotar los factores que parezca que influyan sobre el valor de T. Las hipótesis se deben razonar y eliminar aquellas que no puedan contrastarse experimentalmente con los medios disponibles.

4. DISEÑO Y MONTAJE DE LA EXPERIENCIA

Elegidas las hipótesis que se pretende contrastar experimentalmente, ¿qué experiencias deben realizarse? ¿cómo y con qué medios? También debe preverse al forma de minimizar los errores en las medidas. ¿Entre qué puntos debe medirse al longitud de un péndulo?

5 . REALIZACIÓN DE LA EXPERIENCIA. RECOGIDA DE DATOS:

El péndulo se debe hacer oscilar en un plano sin separarlo un ángulo α demasiado grande.

Midiendo el tiempo “t” de 10 oscilaciones (10T) se reducen errores. Antes de empezar a medir el tiempo deben tener lugar varias oscilaciones (2 ó 3) para que el movimiento del péndulo sea regular.

Para poder establecer la influencia de cada magnitud sobre el período, a lo largo de cada experiencia se va alterando el valor de la magnitud estudiada manteniendo constante los valores de todas las demás.

a) ESTUDIO SOBRE LA INFLUENCIA DE LA AMPLITUD

ESTUDIO DE LA RELACIÓN PERÍODO-ÁNGULO DE SEPARACIÓN (α):

Manteniendo fija la masa (m) y la longitud (l) del péndulo, se hace oscilar separando diversos ángulos (α). Para cada ángulo de oscilación (α) se anota el tiempo “t” de 10 oscilaciones

l = cte (por ejemplo 50 cm)

m =cte utiliza o bien el péndulo metálico o bien el de corcho, o bien el de plastilina, pero solamente uno de los tres tipos )

α variable (por ejemplo 5º, 10º, 15º, 20º,25º, 30º,35º)

Para ello se anotarán los resultados en una tabla como ésta:

α (º) con semicírculo	t = 10 T (s) Con cronómetro	T (s) Con calculadora (divide entre 10 el resultado de la columna anterior)

b) ESTUDIO SOBRE LA INFLUENCIA DE LA MASA

ESTUDIO DE LA RELACIÓN PERÍODO-MASA (m):

Se mantiene fija la longitud (l) del péndulo y el ángulo de separación (α) y se miden los tiempos de oscilación del péndulo cambiando sucesivamente los valores de la masa (m) colgada.

l = constante (por ejemplo 50 cm)

α = constante (por ejemplo 15º)

m variable utilizar los tres tipos de péndulos, tanto péndulo metálico como el de corcho, como el de plastilina)

Para ello se anotarán los resultados en una tabla como ésta:

m (poner aquí tipo de péndulo)	t = 10 T (s) Con cronómetro	T (s) Con calculadora (divide entre 10 el resultado de la columna anterior)

c) ESTUDIO SOBRE LA INFLUENCIA DE LA LONGITUD

ESTUDIO DE LA RELACIÓN PERÍODO-LONGITUD (l) DEL PÉNDULO:

Se mantiene fija la masa (m) del péndulo y el ángulo de separación (α) y se miden los tiempos de oscilación del péndulo cambiando sucesivamente los valores de la longitudes (l) (aumetándolas de 5 en 5 cm)

α = constante (por ejemplo 15º)

m =constante (utiliza o bien el péndulo metálico o bien el de corcho, o bien el de plastilina, pero solamente uno de los tres tipos )

l variable ir aumentándola de 5 en 5 cm

Para ello se anotarán los resultados en una tabla como ésta:

l (cm)	t = 10 T (s) Con cronómetro	T (s) Con calculadora (divide entre 10 el resultado de la columna anterior)

6. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS

Del examen de los datos obtenidos, se puede deducir que:

“EL PERÍODO DE UN PÉNDULO SIMPLE DEPENDE DE………………………………..Y NO DEPENDE DE …………………………………………………………………………………........”

Para establecer cuantitativamente la dependencia del período (T) de un factor o magnitud (Z) debe recurrirse a la elaboración de tablas y gráficas como las indicadas en las figuras siguientes:

¿Qué clase de línea es al de la gráfica Z/T²? y ¿qué tipo de ecuación matemática corresponde a esa línea?.

7. FORMULACIÓN DE LA “LEY DEL PÉNDULO SIMPLE”

El análisis anterior conduce a unas conclusiones que constituyen una “ley empírica” ¿Cuál es la ley del péndulo simple?

Si los distintos grupos de trabajo con diferentes péndulos han llegado a la misma conclusión, se trata de una ley universal: ¿es universal la “ley del péndulo” anterior?.

8. COMUNICACIÓN DE RESULTADOS

Cuando un científico llega a unas conclusiones las debe divulgar a fin de que sirvan de base para el trabajo de otros científicos y contribuir así al desarrollo y crecimiento de la Ciencia.

NOTA. AMPLIACIÓN PÉNDULO SIMPLE Y ACELERACIÓN DE LA GRAVEDAD

Una consecuencia inesperada que se extrae del estudio de la relación entre la masa y el periodo del péndulo simple es el hecho de que cuerpos de masa muy diferente (como lo son las bolas de plástico y acero que conforman los péndulos) caen igual. En 3º ESO los estudiantes todavía no estudian Dinámica newtoniana, por lo que esta cuestión queda planteada como un problema pendiente, que se investigará en cursos posteriores.

Ahora bien, en este nivel los alumnos sí saben que la caída de los cuerpos "se debe a la atracción de la Tierra" y algo han oído hablar acerca de "la gravedad", como un concepto que juega un papel principal en los estudios acerca de dicha atracción gravitatoria. Por tanto, entienden que es razonable esperar que el periodo del péndulo simple se relacione (además de con la longitud y con la amplitud) con la aceleración de la gravedad, g. De dicha relación se deriva que el experimento que han realizado también sirve para obtener el valor de g.

Para ello se cumplimentará la tabla siguiente:

La tabla adjunta muestra los valores de la aceleración de la gravedad que se calculan con la calculadora a partir de cada valor experimental del periodo obtenido en este experimento. Como la fórmula que obtiene el periodo del péndulo simple en función de las variables influyentes (longitud, l y aceleración de la gravedad, g) es: