La aceleración angular

396 Pages·2013·22.57 MB·Spanish

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I.S.B.N.: 978-956-12-2548-0 FÍSICA 3° - 4° MEDIO
2ª edición, Agosto de 2013 UN PROYECTO DE EMPRESA
Nº de ejemplares: 177.600 EDITORA ZIG-ZAG S. A.
© 2012 por Empresa Editora Zig-Zag, S.A. Gerente General
Inscripción Nº 222.877. Santiago de Chile. Ramón Olaciregui
Derechos exclusivos de edición reservados por
Directora editorial
Empresa Editora Zig-Zag, S.A.
Mirta Jara
Editado por Empresa Editora Zig-Zag, S.A.
Los Conquistadores 1700. Piso 10. Providencia. Autor
Teléfono 8107400. Fax [phone]. Jimmy Muñoz Rodríguez
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Asesor Pedagógico
Santiago de Chile.
Mauricio Contreras
Edición y revisión
El presente libro no puede ser reproducido ni en Equipo de Ciencias Zig - Zag
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Alida Montero
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Santiago de Chile. Vanessa Kusjanovic
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Ilustradores
Fernando Vergara
Javier Bermudez
Carlos Gonzalez
Fotografías
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Banco fotográfi co Shutterstock
– Corporación Nacional Forestal
– ESO Observatorio Europeo AustraL
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Autor
Jimmy Muñoz Rodríguez
Colaboran con esta publicación los siguientes especialistas: Juan Francisco Espinoza Gutiérrez
Luis Brahim Navarrete Profesor de Física
Universidad de Chile
Profesor de Física
Magister en Educación, mención Currículum
Universidad de Chile
Educacional en Física Experimental y de la Astronomía
Magíster en Educación y Multimedia
Académico de la Universidad Metropolitana de
Universidad Autónoma de Barcelona Ciencias de la Educación
Leonor Patricia Huerta Cancino
Mauricio Contreras González
Ingeniera en Física
Licenciado en Ciencias con mención de Física
Universidad de Santiago de Chile
Magister en Física, mención Física Nuclear
Magister en Ciencias, mención en Astronomía
Doctor en Física
Universidad de Chile
Universidad de Chile Académica de la Universidad de Santiago de Chile.
Académico de la Universidad Adolfo Ibáñez
Héctor Mario Meneses Alcay
Profesor de Matemáticas
Martín Contreras Slotosch
Universidad Católica de Valparaíso
Profesor de Estado en Química
Académico de la Universidad Católica de Valparaíso
Universidad de Chile
Doctor en Ciencias Naturales Raúl Opazo Sepúlveda
Universidad de Karlsruhe, Alemania Profesor de Química
Académico de la Universidad San Sebastián Universidad Metropolitana de Ciencias de la Educación
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Índice
Unidad 1: Fuerza y movimiento
Capitulo 1 Ejercicio resuelto N°1 85
Mecánica de los cuerpos en trayectorias curvilíneas 10 Ejercicio resuelto N°2 88
Actividad exploratoria 11 Ejercicio resuelto N°3 88
Sección 1 Movimiento circunferencial uniforme 12 Ejercicio resuelto N°4 89
Tema 1 Descripción del movimiento circunferencial uniforme 12 Tema 2 Ecuación fundamental de la hidrostática 90
Tema 2 Ejemplos de aplicaciones de las relaciones entre magnitudes Ejercicio resuelto N°5 92
del movimiento circunferencial uniforme 22 Tema 3 Principio de Pascal 95
Ejercicio resuelto N°1 22 Ejercicio resuelto N°6 97
Ejercicio resuelto N°2 23 Tema 4 Principio de Arquímedes 98
Ejercicio resuelto N°3 24 Ejercicio resuelto N°7 100
Ejercicio resuelto N°4 25 Evaluación de sección 105
Ejercicio resuelto N°5 26 Sección 3 Fluidos en movimiento 108
Evaluación de sección 27 Tema 1 Flujo de un fl uido 108
Sección 2 Dinámica de las rotaciones 28 Evaluación de sección 120
Tema 1 La fuerza centrípeta 28 Información complementaria 121
Ejercicio resuelto N°1 31 Cierre capítulo: Repaso ideas principales 122
Ejercicio resuelto N°2 33 Bibliografía recomendada 123
Tema 2 La inercia rotacional 36 Lectura científi ca: super fl uidez 125
Ejercicio resuelto N°3 42 Actividad experimental: el vaso de Arquímedes 126
Evaluación de sección 45 Evaluación de capítulo ¿CUÁNTO RECUERDAS? 128
Sección 3 El torque y el momento angular 46 Revisa lo que has aprendido a lo largo del capítulo 130
Tema 1 El torque y las rotaciones 46
Ejercicio resuelto N°1 48 Capítulo 3
Ejercicio resuelto N°2 52 Física de los cuerpos cargados 132
Tema 2 El momento angular y su conservación 53 Actividad exploratoria 132
Ejercicio resuelto N°3 55 Sección 1 La interacción eléctrica 134
Ejercicio resuelto N°4 59 Tema 1 Fuerzas entre cargas en reposo, Coulomb vs. Newton 134
Ejercicio resuelto N°5 60 Ejercicio resuelto N°1 138
Ejercicio resuelto N°6 61 Ejercicio resuelto N°2 142
Evaluación de sección 61 Tema 2 Cargas eléctricas 143
Laboratorio: Experimentando la conservación del momento angular 62 Tema 3 Intensidad del campo eléctrico 152
Lectura científi ca: El momento angular como una magnitud fundamental 64 Ejercicio resuelto N°3 156
Cierre capítulo: Repaso ideas principales 66 Tema 4 Potencial electrostático 158
Bibliografía recomendada 67 Ejercicio resuelto N°4 158
Evaluación de capítulo ¿CUÁNTO RECUERDAS? 68 Ejercicio resuelto N°5 161
Revisa lo que has aprendido a lo largo del capítulo 72 Evaluación de sección 161
Sección 2 Cargas en movimiento 162
Capítulo 2 Tema 1 Corriente eléctrica 162
Mecánica de fl uidos 74 Ejercicio resuelto N°1 165
Actividad exploratoria 75 Tema 2 Circuitos y ley de Ohm 166
Sección 1 Propiedades de los fl uidos 76 Ejercicio resuelto N°2 170
Tema 1 Descripción general de la materia 76 Ejercicio resuelto N°3 174
Tema 2 Propiedades de los fl uidos 78 Tema 3 Energía y potencia en circuitos eléctricos 175
Ejercicio resuelto N°1 80 Ejercicio resuelto N°4 176
Evaluación de sección 83 Tema 4 Combinación de resistencias 178
Sección 2 Fluidos en reposo 84 Ejercicio resuelto N°5 184
Tema 1 Presión hidrostática 84 Tema 5 Circuito doméstico y combinación de resistencias 186
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Unidad 2: Tierra y Universo
Evaluación de sección 187 Capítulo 1
Actividad individual: consumo eléctrico en el hogar 188 Mecanismos fi sicoquímicos y la acción humana
Sección 3 Magnetismo y fuerzas entre cargas en movimiento 190 que afectan a la Tierra 268
Actividad exploratoria 271
Tema 1 Conceptos fundamentales del campo magnético:
Sección 1 Factores fi sicoquímicos que afectan a la Tierra 272
imanes y corriente 190
Tema 1 Mecanismos fi sicoquímicos en la regulación del
Tema 2 Fuerzas magnéticas sobre un conductor 198
clima terrestre 272
Ejercicio resuelto N°1 200 Tema 2 Impacto ambiental 284
Evaluación de sección 205 Tema 3 Mecanismos físicos presentes en la dinámica
Sección 4 Movimiento relativo y fuerzas electromagnéticas 206 de la hidrosfera 299
Tema 4 Mecanismos fi sicoquímicos en los fenómenos que
Tema 1 Inducción electromagnética 206
afectan a la litosfera 302
Ejercicio resuelto N°1 216
Evaluación de sección 307
Evaluación de sección 220 Sección 2 Uso efi ciente de los recursos energéticos 308
Cierre capítulo: Repaso ideas principales 222 Tema 1 Recursos energéticos 309
Bibliografía recomendada 223 Tema 2 Energías alternativas 316
Evaluación de sección 317
Lectura científi ca: efectos fi siológicos de las corrientes 224
Cierre capítulo: Repaso ideas principales 322
Taller: construcción de un motor eléctrico 226
Bibliografía recomendada 322
Laboratorio: Elementos electromagnéticos 228
Lectura científi ca: reciclaje de los plásticos 323
Evaluación de capítulo ¿CUÁNTO RECUERDAS? 229 Trabajo de campo 324
Revisa lo que has aprendido a lo largo del capítulo 230 Taller: viriación del clima terrestre ántes del Cuaternario 326
Lectura científi ca: efi ciencia energética 328
Capítulo 4 Evaluación de capítulo ¿CUÁNTO RECUERDAS? 330
Revisa lo que has aprendido a lo largo del capítulo 332
Física al interior del núcleo atómico 234
Actividad exploratoria 235 Capítulo 2
Sección 1 Física en el átomo 236 Nuestro universo 334
Tema 1 Estructura de la materia 236 Actividad exploratoria 335
Tema 2 Modelos atómicos 238 Sección 1 El universo 336
Tema 1 Propiedades físicas de las galaxias 336
Ejercicio resuelto N°1 245
Ejercicio resuelto N°1 345
Evaluación de sección 245
Tema 2 Evidencias experimentales del Big Bang 346
Sección 2 Estabilidad de la materia y fuerzas nucleares 246 Ejercicio resuelto N°2 348
Tema 1 Propiedades de los núcleos atómicos 246 Evaluación de sección 353
Ejercicio resuelto N°1 247 Sección 2 Formas en el cielo 354
Tema 1 Cielo diurno, cielo nocturno 354
Tema 2 Fuerzas nucleares 252
Evaluación de sección 363
Tema 3 Modelos nucleares 253
Cierre capítulo: Repaso ideas principales 364
Tema 4 Estabilidad nuclear 255
Actividad Experimental: ¿Cómo se ve la luz visible a traves de
Evaluación de sección 257 una nube de gas o polvo estelar? 365
Cierre capítulo: Repaso ideas principales 258 Bibliografía recomendada 365
Bibliografía recomendada 258 Lectura científi ca: estrellas de neutrones 366
Información complementaria 368
Lectura científi ca: La física nuclear y el diagnostico por imagen 259
Evaluación de capítulo ¿CUÁNTO RECUERDAS? 370
Información complementaria 260
Evaluación de unidad 374
Laboratorio: Elementos electromagnéticos 262
Evaluación de capítulo ¿CUÁNTO RECUERDAS? 263 Anexos 376
Revisa lo que has aprendido a lo largo del capítulo 264 Normas de seguridad 376
Solucionario 378
Evaluación de unidad 266
Glosario 382
Técnicas y procedimientos científi cos 388
Índice temático 392
Bibliografía 394
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Estructura gráfica del texto
Inicio de unidad
La doble página te presenta el propósito
de la unidad, un texto breve que sintetiza
los grandes temas a tratar y una pregunta
para que inicies el diálogo y discusión
sobre los temas de cada capítulo. De
fondo, una imagen alusiva al propósito.
En la parte inferior se anuncia la forma
de cómo se ha organizado la unidad y
a qué curso corresponde cada capítulo.
Inicio de capítulo
Cada capítulo se inicia en doble página,
con una imagen representativa y una breve
explicación que orientará los objetivos de
aprendizaje de la sección. Se presenta
una actividad exploratoria que te ayudará
a retomar aprendizajes anteriores y a
articularlos con los que presenta cada
sección del capítulo. Se anuncian los
prerrequisitos del gran tema y la forma
en que se ha organizado el capítulo.
Desarrollo de contenidos
El capítulo está dividido en secciones que desarrollan cada
uno de los objetivos de aprendizaje. Al inicio de cada sección
se explicita qué vas aprender, qué conocimientos necesitas
recordar para facilitar tu aprendizaje y los conceptos clave.
A lo largo de la sección se van presentando los contenidos
articulados y apoyados con el recurso gráfi co para reforzar
las ideas y facilitar el aprendizaje. En los márgenes laterales
podrás encontrar algunas secciones como Ciencia en acción
que te ayudará a complementar lo planteado en la página,
y Ciencias en red con referencias de direcciones Web para
profundizar.
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OOttrrooss rreeccuurrssooss ppaarraa......
•• EExxppeerriimmeennttaarr eenn CCiieenncciiaass
• Actividades
Para el logro de tus objetivos de
aprendizaje en cada sección y
tema, te proponemos actividades,
ejercicios resueltos y mini
laboratorios, que te ayudarán a
reforzar conceptos y a desarrollar
procedimientos y habilidades.
• Trabajar talleres para pensar, crear
y construir
• ¿Cómo vas?
Pequeña sección que te
ayudará a monitorear lo que
vas aprendiendo con cada
concepto nuevo y, al fi nal, la
Evaluación de sección, que te
servirá para que compruebes
cuánto has aprendido.
• Conocer los avances de la ciencia y
• Repaso de ideas
quiénes contribuyen a ella
principales
Para cada sección del capítulo
hemos preparado un pequeño
resumen para que revises los
conceptos entregados en cada
sección y paso siguiente, te
sugerimos completar un esquema conceptual usando los conceptos
clave que articulan y dan sentido a lo que has aprendido.
• Evaluación de capítulo:
¿Cuánto recuerdas?
• Aprender técnicas y habilidades
Te proponemos revisar tus
aprendizajes de nuevos
conceptos, aplicación de
procedimientos y el manejo
de habilidades con diversas
alternativas para que monitorees tus avances y puedas detenerte y
volver atrás si no has alcanzado el nivel para pasar a otro tema.
• Evaluación de unidad:
camino a la educación
• Aprender nuevas palabras
superior
Te proponemos una serie de
preguntas de alternativa sobre
los conceptos centrales de
los objetivos de aprendizaje
presentados en el texto.
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unidad
1
FUERZA Y MOVIMIENTO
¿Qué evidencias han
permitido conocer
las propiedades de la
materia?
Mecánica de los cuerpos
Mecánica de fl uidos
eenn ttrraayyeeccttoorriiaass ccuurrvviillíínneeaass
Capítulo 1 Capítulo 2
3º Medio 3º Medio
8
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FUERZA Y MOVIMIENTO
Una imagen, de entre varias, que viene a la mente al del comportamiento de los diferentes estados de la
leer la frase fuerza y movimiento es la de una persona materia y las interacciones que actúan en ellos, ha
empujando o moviendo un objeto. Sin embargo, al buscar permitido estudiar, por ejemplo, el comportamiento
relaciones entre fuerza y movimiento, es posible llegar de los fl uidos cuando son sometidos a diversas fuerzas,
a la conclusión que en la naturaleza todos los cuerpos establecer las leyes del movimiento de los fl uidos, y
están en movimiento sin importar si se encuentran en fenómenos tales como un chispazo o un rayo en medio
estado sólido, líquido o gaseoso y que las fuerzas que de una tormenta han despertado la curiosidad que
ejercen o actúan sobre ellos, no solo están referidas ha llevado al estudio de la estructura de los átomos y
a la interacción mediante contacto entre dos o más establecer modelos que explican las propiedades de la
cuerpos. materia y de las partículas que la constituyen.
Muchas de estas relaciones fueron estudiadas y La aplicación práctica de todos estos conocimientos han
formalizadas por Isaac Newton y posterior a él han llevado al diseño y construcción de máquinas simples
sido varios los investigadores que han enriquecido como una polea a la construcción de reactores nucleares,
y complementado el estudio de las fuerzas y sus o más cercano a nosotros, aparatos tecnológicos touch
efectos sobre los cuerpos. Por otra parte, el estudio que facilitan las actividades diarias de nuestra vida.
Física al interior
Física de los cuerpos cargados
del núcleo atómico
Capítulo 3 Capítulo 4
4º Medio 4º Medio
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o
l
u
t
í
p
a
C
MECÁNICA DE LOS CUERPOS
EN TRAYECTORIAS CURVILÍNEAS
¿Recuerdas como describir el movimiento de un cuerpo? En Segundo
medio abordaste los temas relativos a la descripción de movimientos
rectilíneos uniformes y acelerados tanto en su formulación analítica
como en su representación gráfi ca. Sin embargo, los movimientos de los
cuerpos que observas a diario describen diferentes trayectorias, entre
ellas las de tipo circunferencial.
Si tienes la experiencia de haber estado en una rueda como la de la
fotografía inicial, entonces ya has experimentado lo que se llama un
movimiento circunferencial uniforme. Mientras la rueda gira, siempre te
encuentras a una misma distancia del centro de giro, y describes cada
vuelta completa en intervalos iguales de tiempo.
En este capítulo aprenderás las herramientas necesarias para describir y
analizar un movimiento como el de la rueda y otros ejemplos, a partir de
conceptos que ya conoces, como la velocidad, la aceleración, la fuerza
y las leyes de Newton, pero ahora extendidas a situaciones en que los
Lo que estudiarás
móviles describen trayectorias circunferenciales. El movimiento más
• El movimiento circunferencial uniforme y
general de los cuerpos incluye a la traslación y la rotación. La sección 1 la rotación de los cuerpos rígidos a partir
de las leyes y las relaciones matemáticas
del capítulo estudia la cinemática de la rotación, es decir, la descripción
elementales que los describen.
de esos movimientos, y las dos secciones siguientes abordan las causas
Lo que debes saber
de esos movimientos, es decir la dinámica de las rotaciones.
• El movimiento de los cuerpos a partir de
las leyes de la mecánica y de las relaciones
matemáticas elementales que los describen.
10 Unidad 1: Fuerza y movimiento
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