FÍSICA I QUÍMICA – 4t ESO

IES Sant Vicent Ferrer - Algemesí - 1

DETERMINACIÓ EXPERIMENTAL DE LA LLEI DE NEWTON (EXAO)

1. Introducció

La segona llei de Newton, o llei fonamental de la dinàmica, estableix quina relació hi ha entre la força resultant que actua sobre un sistema mòbil i el tipus de moviment que té. Concretament es tracta d’establir quina relació hi ha entre el valor de la força i el valor de l’acceleració amb què es mou, és a dir: Fres = m·a

2. Objectius

Comprendre com s’estableix de forma experimental la relació entre dues magnituds físiques i aprendre a mesurar forces, masses i acceleracions. Més concretament:

• Emprar adequadament instruments de mesura de massa i de temps. • Aprendre a fer muntatges al laboratori de física. • Fer càlculs per a determinar l’acceleració a partir de Δx i Δt. • Interpretar els resultats obtinguts mitjançant gràfiques. • Elaborar un informe sobre l’experiència realitzada. • Emprar l’ordinador i els equips EXAO per a determinar l’acceleració d’un mòbil

3. Material necessari

Balança Sensors de moviment i programa Data Studio Col·lecció de pesos de diferents valors Carret amb rodes de poc fregament Fil i portapesos Corriola amb nous per a fixar a la taula Barra metàl·lica per a mesurar longituds Topall

4. Realització i taula de resultats

a) MESURA DE L’ACCELERACIÓ AMB QUÈ ES MOU EL CARRET

Munteu el dispositiu de la figura de manera que col·loqueu el màxim de pesos de què disposeu sobre el carret i el mínim de pesos al portapesos que penja de la corriola per tal que el conjunt es moga amb acceleració. Convé no deixar que arribe al final del recorregut per tal que el portapesos no xoque amb terra i es desmunte tot.

FÍSICA I QUÍMICA – 4t ESO

IES Sant Vicent Ferrer - Algemesí - 2

Mesureu la massa total del carret, fil, portapesos i conjunt de pesos: m total = ............... kg

Col·loqueu el sensor de moviment a l’inici del moviment del carret

Poseu un pes menut al portapesos, llevant-lo del carret, i solteu el carret a l’hora que engegueu el sensor mitjançant el botó INICIO del programa Data Studio.

Repetiu la mesura fins al màxim de casos possibles augmentant els pesos en el contrapés, sempre llevant-los del carret. (En total unes 5 vegades serà suficient).

Calculeu l’acceleració en cada cas amb la fórmula del MUA: Δx = ½ a·(Δt)2 a partir de les dades de la gràfica que dibuixa l’ordinador. Per això cal seguir les instruccions de l’annex.

Ompliu la taula de resultats següent:

Experiment m portapesos (kg) F aplicada (N) a (m/s2)

1

2

3

4

5

b) ANÀLISI DELS RESULTATS

Representeu en un full de paper mil·limetrat (o mitjançant el full de càlcul EXCEL) la gràfica F = f(a), és a dir, la força en l’ordenada i l’acceleració en l’abscissa.

A la vista del gràfic obtingut interpreteu els resultats i confirmeu si es compleix o no la llei de Newton i amb quines limitacions.

Mesureu el pendent de la recta obtinguda i relacioneu-lo amb alguna de les dades mesurades al principi de l’experiment.

5. Qüestions

1. Per què és important posar els pesos al contrapés tot llevant-los del carret?

2. Quina relacio entre F i a es dedueix del gràfic?

3. Passa la vostra recta per l’origen de coordenades? Quina explicació pot haver-hi?

4. A quin valor experimental s’aproxima el valor del pendent de la recta?

5. Calculeu la imprecisió relativa (%) del valor obtingut del pendent de la recta respecte al que teòricament s’hauria d’haver obtingut.

FÍSICA I QUÍMICA – 4t ESO

IES Sant Vicent Ferrer - Algemesí - 3

6. ANNEX : Com operar amb el programa Data Studio per a obtenir dades del moviment i determinar l’acceleració en cada moviment del carret

Material específic de l’equip EXAO : sensor de moviment i programa Data Studio Carro amb rodes

Equip EXAO amb sensor de distància (la clau d’abast del sensor ha d’estar situada en la posició senyalada amb un carro)

PROCEDIMENT EXPERIMENTAL

1. Col·loqueu el sensor darrere del punt on s’inicia el moviment del carret.

2. Fiqueu un topall al final del recorregut per tal que el carret no xoque amb la corriola.

3. Connecteu el sensor de distància al dispositiu d’intercanvi a l’USB.

4. Connecteu a un port USB d’un ordinador on estiga instal·lat el programa “Datastudio” de PASCO.

5. Apareixerà una pantalla que us permetrà posar en marxa el programa “Datastudio”, feu-ho.

FÍSICA I QUÍMICA – 4t ESO

IES Sant Vicent Ferrer - Algemesí - 4

6. Automàticament apareixerà la gràfica posició temps:

7. Poseu en marxa el programa (premeu botó “Inicio”) i deixeu rodar el carret.

FÍSICA I QUÍMICA – 4t ESO

IES Sant Vicent Ferrer - Algemesí - 5

El programa enregistrarà valors de posició – temps fins obtenir una gràfica semblant a:

8. La nostra gràfica s’assemblarà en què és una paràbola, però amb les rames cap amunt, perquè hem col·locat el sensor de manera que el carret se n’allunya, mentre que la gràfica del dibuix és per a un moviment en sentit cap al sensor.

9. Seleccionem i suprimim tots els punts que, de forma raonada, no interessen.

10. Amb el botó “Ajustar” seleccionem l’ajust quadràtic. Obtindrem l’ajust dels nostres valors experimentals a una equació del tipus

y = A x2 + B x +C

on, en el nostre cas x és el temps i y la distància del carro al sensor.

11. Ara hem de guardar en una carpeta totes les dades obtingudes fins ara.

12. Amb el mateix muntatge provarem diferents moviments del carret amb masses diferents al contrapés i comprovarem que les acceleracions agafen valors proporcionals a les forces aplicades.

13. Anem guardant cada experiència a la nostra carpeta.

FÍSICA I QUÍMICA – 4t ESO

IES Sant Vicent Ferrer - Algemesí - 6

RESULTATS

L’ajust anterior ens proporciona l’equació del moviment del carret:

x = 1,01 – 0,0254 t – 0,23 t2

que comparant amb l’equació del moviment d’un MRUA x = x0 + v0(t-t0) + ½ a (t-t0)2

deduïm que l’acceleració del carro haurà estat – 0’46 m/s2.

El signe negatiu indica que el moviment del carro s’ha produït avançant cap al sensor i reduint-se, per tant, la distància inicial que els separava. (En el nostre experiment serà a l’inrevés, ja que col·loquem el sensor al principi de la posició del carret i aquest s’allunya del sensor).

QÜESTIONS 1. Quin valor té la posició inicial del mòbil segons l’equació ajustada? Coincideix amb el

mesurat experimentalment?

2. Quin valor té la velocitat inicial del carret segons l’equació ajustada? És zero? Per què?

3. Com hauríem de fer el muntatge experimental per a que els signes de velocitat inicial i acceleració foren negatius com a les figures adjuntes?

4. De quins factors depén l'acceleració?

5. Quina acceleració s'obté en cada cas? Quina relació hi ha entre aquests valors i les forces aplicades sobre el carret?