F=ma
E=mc²
v=d/t
P=F/A

⚛️ Física: Cantidades Físicas

Fundamentos esenciales de las cantidades físicas, sistemas de unidades, análisis dimensional y técnicas de medición para el estudio científico de la física

5 Módulos - 120 min
Nivel Intermedio
Interactivo
Física
Cantidades Físicas
Sistema Internacional
Progreso del módulo
0/5

Física: Cantidades Físicas Fundamentos y Sistema Internacional (5 módulos - 120 min)

5 módulos interactivos
1

📐 Fundamentos y Sistema Internacional

Conceptos básicos y sistema de unidades

En este módulo estudiaremos los conceptos fundamentales de las cantidades físicas y el Sistema Internacional de Unidades (SI), base esencial para todo estudio científico en física.

Objetivos de Aprendizaje

  • Comprender qué es una cantidad física y su importancia
  • Clasificar las magnitudes físicas correctamente
  • Conocer las 7 unidades fundamentales del SI
  • Identificar las ventajas del Sistema Internacional

Cantidad Física

Una cantidad física es cualquier propiedad de un fenómeno, cuerpo o sustancia que puede ser cuantificada mediante medición.

Cantidad Física = Valor Numérico × Unidad

Ejemplo: 15 metros, 25 °C, 9.8 m/s²

Clasificación

Fundamentales: Independientes

Metro, kilogramo, segundo, ampere, kelvin, mol, candela

Derivadas: Combinación de fundamentales

Velocidad, fuerza, energía, presión

Las 7 Unidades Fundamentales del SI

📏
Longitud

metro (m)

Distancia recorrida por la luz en el vacío durante 1/299,792,458 segundos

⚖️
Masa

kilogramo (kg)

Definida por la constante de Planck h = 6.62607015×10⁻³⁴ J⋅s

Tiempo

segundo (s)

9,192,631,770 períodos de radiación del átomo de cesio-133

Corriente

ampere (A)

Definida por la carga elemental e = 1.602176634×10⁻¹⁹ C

🌡️
Temperatura

kelvin (K)

Definida por la constante de Boltzmann k = 1.380649×10⁻²³ J/K

🧪
Cantidad

mol (mol)

Definida por el número de Avogadro NA = 6.02214076×10²³ mol⁻¹

💡
Intensidad Luminosa

candela (cd)

Definida por la eficacia luminosa Kcd = 683 lm/W

Ventajas del Sistema Internacional

  • Universalmente aceptado
  • Sistema decimal (base 10)
  • Coherente y consistente
  • Facilita comunicación científica
  • Evita errores de conversión
  • Basado en constantes naturales

💡 Ejemplos Prácticos

🔍 Ejemplo 1: Identificación

Situación:

"El atleta corrió 100 metros en 9.58 segundos, alcanzando una temperatura corporal de 37.5°C."

✅ Identifiquemos las cantidades físicas:
Distancia: 100 metros (L)
Tiempo: 9.58 segundos (T)
Temperatura: 37.5°C (Θ)
📊 Ejemplo 2: Clasificación

Clasificar estas magnitudes:

Masa, Velocidad, Área, Corriente eléctrica, Fuerza, Tiempo

🟢 Fundamentales:
Masa Tiempo Corriente
🟣 Derivadas:
Velocidad Área Fuerza

📝 Ejercicios para Estudiantes

1 Identificación de Unidades

Pregunta: ¿Cuáles son las unidades SI para las siguientes magnitudes?

  • Energía cinética de un automóvil
  • Intensidad de corriente en un cable
  • Cantidad de sustancia en una muestra
  • Intensidad luminosa de una lámpara

💡 Pista: Recuerda las 7 unidades fundamentales y cómo se relacionan.

2 Comparación de Sistemas

Situación: Un científico estadounidense reporta:

"El objeto mide 6 pies de altura y pesa 150 libras"

¿Por qué sería mejor expresar estos valores en unidades SI?

💡 Reflexiona: Piensa en las ventajas del SI que estudiamos.

3 Aplicación Práctica

Desafío: En tu laboratorio de física necesitas:

  • Medir la masa de una moneda
  • Cronometrar la caída de un objeto
  • Determinar la temperatura del agua

¿Qué unidades SI usarías para cada medición?

🎯 Objetivo: Conectar teoría con práctica experimental.

4 Investigación

Proyecto: Investiga sobre la redefinición del kilogramo en 2019.

  • ¿Por qué se cambió la definición?
  • ¿Qué es la constante de Planck?
  • ¿Cómo afecta esto a la ciencia?

🔬 Investigación: Explora la evolución histórica del SI.

✅ Autoevaluación - Módulo 1
Pregúntate:
  • • ¿Puedo definir qué es una cantidad física?
  • • ¿Distingo entre magnitudes fundamentales y derivadas?
  • • ¿Conozco las 7 unidades fundamentales del SI?
Comprueba:
  • • ¿Puedo explicar las ventajas del SI?
  • • ¿Entiendo por qué el SI es universal?
  • • ¿Sé cómo se definen las unidades actualmente?
2

⚖️ Magnitudes Fundamentales y Derivadas

Clasificación y relaciones entre magnitudes físicas

Exploraremos en detalle las magnitudes fundamentales del SI y cómo se combinan para formar magnitudes derivadas, incluyendo los prefijos que nos permiten expresar cantidades muy grandes o muy pequeñas.

Objetivos de Aprendizaje

  • Identificar las magnitudes fundamentales y sus aplicaciones
  • Comprender cómo se forman las magnitudes derivadas
  • Aplicar prefijos del SI correctamente
  • Establecer relaciones entre diferentes magnitudes

Magnitudes Fundamentales en Detalle

📏 Longitud (L)
metro (m)

Mide distancia, altura, ancho, radio, diámetro

Ejemplos: 1.75 m (altura), 5 km (distancia), 0.5 mm (grosor)
⚖️ Masa (M)
kilogramo (kg)

Cantidad de materia en un cuerpo

Ejemplos: 70 kg (persona), 2 g (moneda), 1000 kg (auto)
Tiempo (T)
segundo (s)

Duración de eventos y procesos

Ejemplos: 60 s (minuto), 3600 s (hora), 10⁻⁹ s (nanosegundo)
Corriente Eléctrica (I)
ampere (A)

Flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo

Ejemplos: 10 A (plancha), 0.5 A (LED), 100 A (motor)

Magnitudes Derivadas Principales

🔲 Área

A = L × L

🧊 Volumen

V = L × L × L

🏃 Velocidad
m/s

v = d/t

LT⁻¹

🚀 Aceleración
m/s²

a = v/t

LT⁻²

💪 Fuerza
N (newton)

F = m × a

MLT⁻²

🔽 Presión
Pa (pascal)

P = F/A

ML⁻¹T⁻²

Prefijos del Sistema Internacional

📈 Múltiplos (Grandes)
tera (T) 10¹² 1,000,000,000,000
giga (G) 10⁹ 1,000,000,000
mega (M) 10⁶ 1,000,000
kilo (k) 10³ 1,000
📉 Submúltiplos (Pequeños)
mili (m) 10⁻³ 0.001
micro (μ) 10⁻⁶ 0.000001
nano (n) 10⁻⁹ 0.000000001
pico (p) 10⁻¹² 0.000000000001
💡 Ejemplos de Uso:

5 km = 5,000 m (kilómetros)

15 MHz = 15,000,000 Hz (megahertz)

2 GW = 2,000,000,000 W (gigawatts)

500 mm = 0.5 m (milímetros)

25 μm = 0.000025 m (micrómetros)

10 ns = 0.00000001 s (nanosegundos)

💡 Ejemplos de Aplicación

🚗 Ejemplo 1: Velocidad de un Auto

Datos:

Un automóvil recorre 150 km en 2 horas

📐 Proceso de cálculo:

1. Convertir unidades al SI:

d = 150 km = 150,000 m

t = 2 h = 7,200 s

2. Aplicar la fórmula:

v = d/t = 150,000 m / 7,200 s

3. Resultado:

v = 20.83 m/s

🧊 Ejemplo 2: Densidad del Agua

Datos:

Una muestra de agua: masa = 500 g, volumen = 500 mL

📊 Cálculo de densidad:

1. Convertir al SI:

m = 500 g = 0.5 kg

V = 500 mL = 0.0005 m³

2. ρ = m/V:

ρ = 0.5 kg / 0.0005 m³

3. Resultado:

ρ = 1000 kg/m³

📚 Ejercicios del Módulo 2

1 Conversión de Prefijos

Convierte las siguientes cantidades:

  • 2.5 km a metros
  • 750 mm a metros
  • 0.003 GW a watts
  • 50 μs a segundos
  • 200 mA a amperes

💡 Recuerda: Usa las potencias de 10 para cada prefijo.

2 Cálculo de Magnitudes Derivadas

Problema: Un corredor completa una carrera.

Datos: Distancia = 10 km, Tiempo = 45 min

Calcula: a) Velocidad en m/s, b) Velocidad en km/h

🎯 Meta: Practica conversiones y cálculos.

3 Análisis de Unidades

Desafío: Determina las unidades SI de:

  • Aceleración (a = v/t)
  • Fuerza (F = ma)
  • Trabajo (W = F×d)
  • Potencia (P = W/t)
  • Presión (P = F/A)

📐 Método: Sustituye las unidades fundamentales.

4 Problema Integrado

Situación: Un cilindro metálico.

Altura: 15 cm, Radio: 3 cm, Masa: 2.1 kg

Calcula: a) Volumen, b) Densidad, c) Expresa usando prefijos apropiados

🔧 Aplicación: Combina geometría y física.

🔬 Laboratorio Virtual
Experimento: Medición de Densidades

Usa diferentes objetos y calcula sus densidades

  • • Mide masa con balanza digital
  • • Calcula volumen por desplazamiento
  • • Compara con valores teóricos
Simulación: Prefijos del SI

Practica conversiones interactivas

  • • Convierte automáticamente
  • • Visualiza escalas de magnitud
  • • Practica con retroalimentación
3

🔬 Análisis Dimensional y Conversiones

Verificación de ecuaciones y conversión de unidades

Este módulo abarca dos aspectos fundamentales de la física: el análisis dimensional para verificar ecuaciones y deducir relaciones, y las conversiones de unidades para trabajar con diferentes sistemas de medición de manera sistemática y precisa.

3A

Análisis Dimensional

Principio de homogeneidad, verificación de ecuaciones y deducción de fórmulas

  • • Verificación de fórmulas físicas
  • • Deducción de relaciones
  • • Dimensiones fundamentales y derivadas
3B

Conversiones de Unidades

Método del factor unitario y conversiones entre sistemas de unidades

  • • Método del factor unitario
  • • Conversiones simples y complejas
  • • Sistemas SI, Imperial y CGS
3A

🔬 Análisis Dimensional

Verificación de ecuaciones y homogeneidad dimensional

El análisis dimensional es una herramienta fundamental que nos permite verificar la validez de ecuaciones físicas, deducir relaciones entre variables y asegurar la consistencia en nuestros cálculos físicos.

Objetivos de Aprendizaje

  • Aplicar el principio de homogeneidad dimensional
  • Escribir ecuaciones dimensionales correctamente
  • Verificar la validez de fórmulas físicas
  • Deducir relaciones entre variables usando dimensiones

Principio de Homogeneidad Dimensional

"En toda ecuación física válida, ambos lados deben tener las mismas dimensiones"

[Lado izquierdo] = [Lado derecho]

Dimensiones Fundamentales
[L] = Longitud
[M] = Masa
[T] = Tiempo
[I] = Corriente
[Θ] = Temperatura
[N] = Cantidad de sustancia
[J] = Intensidad luminosa
Dimensiones Derivadas

Velocidad: [v] = [L][T]⁻¹

Aceleración: [a] = [L][T]⁻²

Fuerza: [F] = [M][L][T]⁻²

Energía: [E] = [M][L]²[T]⁻²

Presión: [P] = [M][L]⁻¹[T]⁻²

Potencia: [W] = [M][L]²[T]⁻³

Verificación de Fórmulas Físicas

🚀 Ejemplo 1: Ecuación de Movimiento

v² = v₀² + 2as

Verificemos dimensionalmente esta ecuación

Lado izquierdo:

[v²] = [L²T⁻²]

Primer término:

[v₀²] = [L²T⁻²]

Segundo término:

[2as] = [LT⁻²][L] = [L²T⁻²]

✓ Ecuación dimensionalmente correcta
🌍 Ejemplo 2: Ley de Gravitación Universal

F = G(m₁m₂)/r²

Determinemos las dimensiones de G

Despejando G:

G = Fr²/(m₁m₂)

[G] = [MLT⁻²][L²]/[M²] = [M⁻¹L³T⁻²]

G = 6.67 × 10⁻¹¹ m³kg⁻¹s⁻²

Deducción de Fórmulas por Análisis Dimensional

⏰ Ejemplo: Período del Péndulo Simple

Problema:

El período T de un péndulo simple depende de su longitud L y la gravedad g. Encuentra la relación T = f(L, g).

Paso 1: Identificar dimensiones

[T] = [T] (período)

[L] = [L] (longitud)

[g] = [LT⁻²] (aceleración)

Paso 2: Proponer forma general

T = k × L^a × g^b

(k es adimensional)

Paso 3: Análisis dimensional

[T] = [L]^a × [LT⁻²]^b

[T] = [L]^a × [L^b T^(-2b)]

[T] = [L^(a+b) T^(-2b)]

Igualando exponentes:

Para T: 1 = -2b → b = -1/2

Para L: 0 = a + b → a = 1/2

T = k√(L/g)

✓ Fórmula deducida por análisis dimensional

🎯 Ejemplo Resuelto: Verificar E = ½mv²

Objetivo:

Verificar dimensionalmente la ecuación de energía cinética

Paso 1: Identificar dimensiones

[E] = [M L² T⁻²] (energía)

[m] = [M] (masa)

[v²] = [L² T⁻²] (velocidad al cuadrado)

Paso 2: Analizar lado derecho

[½mv²] = [M] × [L² T⁻²]

[½mv²] = [M L² T⁻²]

(½ es adimensional)

Paso 3: Comparar

Lado izquierdo: [M L² T⁻²]

Lado derecho: [M L² T⁻²]

¡Dimensiones coinciden!

📋 Ejercicios de Análisis Dimensional

1 Verificación Dimensional

Verifica si estas ecuaciones son dimensionalmente correctas:

  • s = v₀t + ½at² (ecuación cinemática)
  • P = F/A (presión)
  • T = 2π√(L/g) (péndulo)
  • F = kx (ley de Hooke)
  • W = Fd cos θ (trabajo)

📐 Método: Sustituye las dimensiones y verifica igualdad en ambos lados.

2 Deducción de Fórmulas

Usa análisis dimensional para deducir:

El período de oscilación de un resorte depende de:

• masa (m), • constante del resorte (k)

Encuentra la forma T = C × m^a × k^b

🧮 Pista: [k] = [M T⁻²] (constante elástica)

3 Constantes Físicas

Determina las dimensiones de:

  • Constante de Planck (E = hf)
  • Constante de Coulomb (F = kq₁q₂/r²)
  • Resistencia eléctrica (V = IR)
  • Capacitancia (Q = CV)

⚡ Tip: Usa las ecuaciones dadas para despejar cada constante.

4 Problema Avanzado

Deducción compleja:

La velocidad de ondas en una cuerda depende de:

• Tensión (T), • densidad lineal (μ = masa/longitud)

Deduce v = f(T, μ) usando análisis dimensional.

🎼 Aplicación: Fundamental para instrumentos musicales.

3B

🔄 Conversiones de Unidades

Método del factor unitario y conversiones sistemáticas

Las conversiones de unidades son esenciales en la física e ingeniería. El método del factor unitario nos proporciona una técnica sistemática y confiable para convertir entre diferentes sistemas de unidades manteniendo la exactitud y evitando errores.

Objetivos de Aprendizaje

  • Dominar el método del factor unitario
  • Realizar conversiones simples y complejas
  • Convertir entre sistemas de unidades (SI, Imperial, CGS)
  • Aplicar conversiones en problemas reales de ingeniería

Método del Factor Unitario

Principio: Multiplicar por fracciones equivalentes a la unidad (1)

Cantidad inicial × (Factor de conversión) = Cantidad final

Regla Fundamental

El factor de conversión siempre es igual a 1:

Factor = (Unidad deseada)/(Unidad inicial) = 1

📏 Longitud
1 m = 100 cm
1 km = 1000 m
1 in = 2.54 cm
1 ft = 12 in
1 mi = 1609 m
Tiempo
1 min = 60 s
1 h = 3600 s
1 día = 24 h
1 año = 365.25 días
1 ms = 10⁻³ s
⚖️ Masa
1 kg = 1000 g
1 lb = 453.6 g
1 oz = 28.35 g
1 ton = 1000 kg
1 slug = 14.59 kg

Conversiones Simples

📏 Ejemplo 1: Longitud

Convertir: 2.5 km a metros

2.5 km × (1000 m/1 km) = 2500 m

Factor: 1000 m = 1 km
Ejemplo 2: Tiempo

Convertir: 3.5 horas a segundos

3.5 h × (3600 s/1 h) = 12,600 s

Factor: 1 h = 3600 s
⚖️ Ejemplo 3: Masa

Convertir: 150 libras a kilogramos

150 lb × (453.6 g/1 lb) × (1 kg/1000 g)

= 150 × 0.4536 kg = 68.04 kg

1 lb = 453.6 g 1000 g = 1 kg
🌡️ Ejemplo 4: Temperatura

Convertir: 77°F a Celsius

°C = (°F - 32) × 5/9

°C = (77 - 32) × 5/9 = 25°C

Fórmula especial para temperatura

Conversiones Complejas (Múltiples Factores)

🚗 Ejemplo: Conversión de Velocidad

Convertir: 72 km/h a m/s

Método paso a paso:

72 km/h × (1000 m/1 km) × (1 h/3600 s)

= 72 × (1000/3600) m/s

= 72 × (10/36) m/s

= 20 m/s

Factor 1: 1000 m = 1 km Factor 2: 1 h = 3600 s

Regla práctica: Para convertir km/h a m/s, dividir por 3.6

📦 Ejemplo: Conversión de Volumen

Convertir: 500 cm³/min a m³/s

Análisis detallado:

Paso 1: Convertir cm³ a m³

1 cm = 0.01 m

1 cm³ = (0.01 m)³ = 10⁻⁶ m³

Paso 2: Convertir min a s

1 min = 60 s

Paso 3: Aplicar factores

500 cm³/min × (10⁻⁶ m³/1 cm³) × (1 min/60 s)

= 500 × 10⁻⁶ / 60 m³/s

= 8.33 × 10⁻⁶ m³/s

🧪 Ejemplo: Conversión de Densidad

Convertir: 2.7 g/cm³ a kg/m³

2.7 g/cm³ × (1 kg/1000 g) × (10⁶ cm³/1 m³)

= 2.7 × (10⁶/1000) kg/m³

= 2.7 × 10³ kg/m³

= 2700 kg/m³

1000 g = 1 kg 10⁶ cm³ = 1 m³

📊 Tabla de Factores de Conversión

💡 Uso de la tabla:

Esta tabla contiene todos los factores de conversión necesarios para resolver los ejercicios. Utiliza estos valores exactos para obtener resultados precisos.

📏 Longitud

Sistema Métrico

Sistema Imperial

Conversiones Especiales

Equivalencias

1 km = 1000 m

1 m = 100 cm

1 cm = 10 mm

1 m = 10⁶ μm

1 mi = 1609 m

1 ft = 0.3048 m

1 in = 2.54 cm

1 yd = 3 ft

1 Å = 10⁻¹⁰ m

1 ly = 9.46×10¹⁵ m

1 pc = 3.26 ly

1 m = 3.281 ft

1 km = 0.621 mi

1 in = 25.4 mm

Tiempo

Básicas

Largas

Cortas

1 min = 60 s

1 h = 60 min

1 h = 3600 s

1 día = 24 h

1 sem = 7 días

1 año = 365.25 días

1 año = 8760 h

1 ms = 10⁻³ s

1 μs = 10⁻⁶ s

1 ns = 10⁻⁹ s

⚖️ Masa

Sistema Métrico

Sistema Imperial

Especiales

1 kg = 1000 g

1 g = 1000 mg

1 ton = 1000 kg

1 lb = 453.6 g

1 oz = 28.35 g

1 ton(US) = 907.2 kg

1 slug = 14.59 kg

1 kg = 2.205 lb

1 u = 1.66×10⁻²⁷ kg

1 ct = 0.2 g

📦 Volumen

Sistema Métrico

Sistema Imperial

Equivalencias

1 m³ = 1000 L

1 L = 1000 mL

1 L = 1000 cm³

1 m³ = 10⁶ cm³

1 gal(US) = 3.785 L

1 qt = 0.946 L

1 pt = 0.473 L

1 fl oz = 29.57 mL

1 L = 0.264 gal

1 m³ = 264.2 gal

1 L = 1.057 qt

1 bbl = 159 L

🌡️ Presión

Unidades Comunes

Equivalencias

1 atm = 101,325 Pa

1 bar = 100,000 Pa

1 psi = 6895 Pa

1 mmHg = 133.3 Pa

1 torr = 1 mmHg

1 atm = 14.7 psi

1 atm = 760 mmHg

1 bar = 14.5 psi

1 Pa = 1 N/m²

1 kPa = 1000 Pa

Energía y Potencia

Energía

Potencia

1 kJ = 1000 J

1 MJ = 10⁶ J

1 cal = 4.184 J

1 kcal = 4184 J

1 BTU = 1055 J

1 kWh = 3.6 MJ

1 eV = 1.6×10⁻¹⁹ J

1 kW = 1000 W

1 MW = 10⁶ W

1 hp = 746 W

1 BTU/h = 0.293 W

1 cal/s = 4.184 W

1 W = 1 J/s

🌡️ Temperatura
Fórmulas de Conversión

°C = (°F - 32) × 5/9

°F = °C × 9/5 + 32

K = °C + 273.15

°R = °F + 459.67

Puntos de Referencia

Agua congela: 0°C = 32°F = 273K

Agua hierve: 100°C = 212°F = 373K

Cero absoluto: -273.15°C = 0K

📝 Notas Importantes
  • Los valores mostrados son exactos o con suficiente precisión para los ejercicios
  • Para conversiones de temperatura, usa las fórmulas específicas (no son factores multiplicativos)
  • 1 atm = presión atmosférica estándar al nivel del mar
  • 1 hp (caballo de fuerza) = 746 W exactamente
  • 1 cal = caloría termoquímica (4.184 J exactamente)

📋 Ejercicios de Conversiones

1 Conversiones Múltiples

Realiza las siguientes conversiones:

  • 90 km/h a m/s
  • 1500 L/h a m³/s
  • 250 g/cm³ a kg/m³
  • 3.6 MJ a kWh
  • 15 atm a Pa

🔄 Estrategia: Identifica todos los factores de conversión necesarios.

2 Problema Aplicado

Situación real: Diseño de un tanque de combustible

Especificaciones en unidades mixtas:

• Capacidad: 50 galones

• Flujo: 2 L/min

• Presión: 15 psi

• Temperatura: 75°F

Convierte todo al SI y calcula el tiempo de llenado.

🏗️ Aplicación: Problema típico de ingeniería.

3 Conversiones de Potencia

Conversiones de energía y potencia:

  • 750 W a hp (caballos de fuerza)
  • 100 BTU/h a watts
  • 2.5 kWh a joules
  • 1000 cal a kJ

⚡ Datos: 1 hp = 746 W, 1 BTU = 1055 J, 1 cal = 4.18 J

4 Proyecto de Conversión

Diseña un convertidor universal:

Crea una tabla de conversión que incluya:

• Al menos 5 magnitudes físicas

• 3 unidades por magnitud

• Factores de conversión exactos

• Ejemplos de uso práctico

🎯 Extra: Incluye conversiones poco comunes pero útiles.

🖥️ Herramientas de Conversión
Conversor Universal

Convierte entre cualquier unidad

  • • Base de datos completa
  • • Conversiones paso a paso
  • • Incluye unidades raras
  • • Precisión alta
Calculadora de Factores

Genera factores automáticamente

  • • Encuentra rutas de conversión
  • • Optimiza el número de pasos
  • • Valida resultados
  • • Exporta tablas
Verificador de Unidades

Valida conversiones complejas

  • • Detecta errores comunes
  • • Sugiere correcciones
  • • Análisis dimensional
  • • Reportes detallados
4

🎯 Medición, Errores e Instrumentos

Precisión, exactitud y técnicas de medición

La calidad de las mediciones es fundamental en la física. Estudiaremos conceptos de precisión, exactitud, tipos de errores y las características de los instrumentos de medición para obtener resultados confiables.

Objetivos de Aprendizaje

  • Distinguir entre precisión y exactitud
  • Identificar y clasificar tipos de errores
  • Aplicar reglas de cifras significativas
  • Seleccionar instrumentos de medición apropiados

Precisión vs Exactitud

Precisión
Reproducibilidad de mediciones

Grado de concordancia entre mediciones repetidas bajo las mismas condiciones.

Ejemplo: Cinco mediciones de una mesa: 1.245 m, 1.247 m, 1.246 m, 1.245 m, 1.248 m

Alta precisión: valores muy cercanos entre sí

Exactitud
Cercanía al valor verdadero

Grado de concordancia entre el valor medido y el valor verdadero o de referencia.

Ejemplo: Valor verdadero: 1.250 m, Medición: 1.251 m

Alta exactitud: muy cerca del valor real

🎯 Analogía de la Diana
Baja Precisión
Baja Exactitud
Tiros dispersos y alejados del centro
Alta Precisión
Baja Exactitud
Tiros agrupados pero alejados del centro
Baja Precisión
Alta Exactitud
Tiros dispersos pero centrados
Alta Precisión
Alta Exactitud
Tiros agrupados y centrados

Tipos de Errores en Medición

Errores Sistemáticos
Consistentes y predecibles

Errores que afectan la exactitud de manera constante y en la misma dirección.

Calibración incorrecta
Condiciones ambientales
Desgaste del instrumento
Errores Aleatorios
Impredecibles y variables

Errores que varían de manera impredecible y afectan la precisión.

Fluctuaciones eléctricas
Vibraciones
Limitaciones del observador
Errores Groseros
Humanos y evitables

Errores debido a descuidos, errores de cálculo o mal uso de instrumentos.

Lectura incorrecta
Errores de transcripción
Mal uso del instrumento

Cifras Significativas

Cifras significativas: Todos los dígitos conocidos con certeza más el primer dígito incierto

📋 Reglas para Identificar
1.

Todos los dígitos diferentes de cero

123.45 → 5 cifras significativas

2.

Ceros entre dígitos significativos

1002 → 4 cifras significativas

3.

Ceros a la derecha del punto decimal

12.300 → 5 cifras significativas

4.

Ceros a la izquierda NO cuentan

0.0025 → 2 cifras significativas

🧮 Operaciones
Suma y Resta

Resultado: menor número de decimales

12.1 + 1.23 = 13.33 → 13.3

Multiplicación y División

Resultado: menor número de cifras significativas

12.1 × 1.2 = 14.52 → 14

Instrumentos de Medición Básicos

📏
Regla Graduada

Precisión: ±0.5 mm

Medición de longitudes medias. Lectura directa con escala visible.

🔧
Calibrador Vernier

Precisión: ±0.1 mm

Medición precisa de longitudes, diámetros internos y externos.

🔬
Micrómetro

Precisión: ±0.01 mm

Medición de alta precisión para dimensiones pequeñas.

⚖️
Balanza Digital

Precisión: ±0.1 g

Medición de masa con lectura digital automática.

⏱️
Cronómetro

Precisión: ±0.01 s

Medición de intervalos de tiempo con alta precisión.

🌡️
Termómetro Digital

Precisión: ±0.1°C

Medición de temperatura con respuesta rápida.

🔍 Características Importantes de los Instrumentos
Sensibilidad

Mínima variación detectable

Resolución

Menor división de la escala

Rango

Límites de medición

💡 Ejemplos Prácticos de Medición

📐 Ejemplo 1: Análisis de Errores

Situación:

Un estudiante mide el diámetro de un cilindro 5 veces con un calibrador (precisión ±0.02 mm):
Medidas: 25.14, 25.16, 25.13, 25.15, 25.17 mm
Valor real: 25.20 mm

📊 Cálculos:

Promedio = (25.14+25.16+25.13+25.15+25.17)/5

x̄ = 25.15 mm

Error absoluto = |25.15 - 25.20| = 0.05 mm

Error relativo = (0.05/25.20) × 100% = 0.20%

🎯 Análisis:
  • Alta precisión: Medidas muy consistentes (desviación < 0.04 mm)
  • Baja exactitud: Todas las medidas están por debajo del valor real
  • Error sistemático: Posible calibración incorrecta del instrumento
🔢 Ejemplo 2: Cifras Significativas

Problema:

Calcular el área de un rectángulo:
Largo: 12.5 cm (3 cifras significativas)
Ancho: 4.23 cm (3 cifras significativas)

🧮 Paso a paso:

Área = largo × ancho

A = 12.5 cm × 4.23 cm

A = 52.875 cm²

Resultado final: 52.9 cm²

(3 cifras significativas)

📝 Regla aplicada:

En multiplicación, el resultado debe tener el mismo número de cifras significativas que el factor con menor cantidad (ambos tienen 3, resultado: 3 cifras).

📝 Ejercicios para Estudiantes

1 Identificación de Errores

Clasifica estos errores:

  • a) El cronómetro adelanta 0.5 segundos cada minuto
  • b) Una ráfaga de viento afecta la medición de tiempo de caída
  • c) El observador reacciona 0.2 s tarde al presionar el cronómetro
  • d) La regla se dilata por el calor del sol
2 Cifras Significativas

Resuelve estas operaciones:

  • a) 123.4 + 12.56 + 1.2 = ?
  • b) 45.2 × 1.25 = ?
  • c) 789.123 ÷ 2.1 = ?
  • d) √(144.0) = ?
3 Selección de Instrumentos

¿Qué instrumento usarías para medir?

  • a) Grosor de una hoja de papel
  • b) Longitud de un salón de clases
  • c) Diámetro interno de un tubo
  • d) Tiempo de una reacción química lenta
4 Cálculo de Incertidumbres

Mediciones de longitud (cm):

12.3, 12.1, 12.4, 12.2, 12.5

Calcula el promedio y la incertidumbre estándar.

🧪 Laboratorio Virtual de Medición

🔬 Simulador de Calibrador
25.34 mm
Lectura del calibrador
📋 Registro de mediciones:

Haz clic en "Nueva Medición" para empezar

📊 Análisis Estadístico
--
Promedio
--
Desv. Est.
--
Mínimo
--
Máximo

🛠️ Herramientas de Apoyo

📏 Calculadora de Precisión

Calcula automáticamente el número correcto de cifras significativas

📊 Análisis de Errores

Herramienta para clasificar y cuantificar diferentes tipos de errores

🔍 Guía de Instrumentos

Referencia rápida de precisión y uso de instrumentos de medición

5

🔢 Magnitudes Escalares y Vectoriales

Diferencias fundamentales entre tipos de magnitudes físicas

Finalizamos nuestro estudio de cantidades físicas aprendiendo a clasificar las magnitudes según sus características fundamentales: escalares (solo magnitud) y vectoriales (magnitud y dirección).

Objetivos de Aprendizaje

  • Distinguir claramente entre magnitudes escalares y vectoriales
  • Identificar ejemplos de cada tipo de magnitud
  • Comprender la importancia de la dirección en las magnitudes vectoriales
  • Aplicar correctamente la clasificación en problemas físicos

Magnitudes Escalares vs Vectoriales

Magnitudes Escalares
Solo requieren magnitud

Cantidades que quedan completamente definidas por su valor numérico y unidad.

Ejemplos:
Masa: 5 kg
Tiempo: 10 s
Temperatura: 25°C
Energía: 100 J
Volumen: 2 m³
Rapidez: 30 m/s

Operaciones: Se suman algebraicamente (con signos)

Magnitudes Vectoriales
Requieren magnitud y dirección

Cantidades que necesitan magnitud, dirección y sentido para quedar completamente definidas.

Ejemplos:
Velocidad: 30 m/s Norte
Fuerza: 10 N vertical
Desplazamiento: 5 m Este
Aceleración: 2 m/s² Sur
Momento: 15 Nm horario
Campo E: 100 N/C ↑

Operaciones: Se suman vectorialmente (regla del paralelogramo)

Operaciones Básicas con Vectores

Suma de Vectores
Método Gráfico

Regla del Paralelogramo

1. Dibujar vectores desde el mismo origen

2. Completar el paralelogramo

3. La diagonal es la resultante

También: método cola-punta (triángulo)

Método Analítico

Componentes Rectangulares

Rx = Ax + Bx

Ry = Ay + By

|R| = √(Rx² + Ry²)

Componentes Rectangulares
Descomposición

Ax = A cos θ

Componente horizontal

Ay = A sen θ

Componente vertical

Composición

|A| = √(Ax² + Ay²)

Magnitud del vector

θ = arctan(Ay/Ax)

Ángulo con el eje x

💡 Ejemplo Práctico

Dados:

Vector A: 10 N a 30° del eje x

Vector B: 8 N a 120° del eje x

Encontrar: A + B

Ax = 10 cos(30°) = 8.66 N

Ay = 10 sen(30°) = 5.00 N

Bx = 8 cos(120°) = -4.00 N

By = 8 sen(120°) = 6.93 N

Rx = 4.66 N, Ry = 11.93 N

|R| = 12.8 N a 68.7°

Aplicaciones del Análisis Dimensional

🔍 Deducción de Fórmulas
Ejemplo: Período de un Péndulo Simple

Variables: longitud (L), gravedad (g), masa (m)

Hipótesis: T = k × L^a × g^b × m^c

Análisis dimensional:

[T] = [L]^a [LT⁻²]^b [M]^c

[T] = [L]^(a+b) [T]^(-2b) [M]^c

Ecuaciones:

Para T: -2b = 1 → b = -1/2

Para L: a + b = 0 → a = 1/2

Para M: c = 0

T = k √(L/g)

El período NO depende de la masa

Verificación de Cálculos Complejos
Problema Típico

Un objeto cae libremente desde una altura de 20 m. Calcular su velocidad al tocar el suelo.

Ecuación: v² = v₀² + 2gh

Datos: h = 20 m, g = 9.8 m/s², v₀ = 0

v² = 0 + 2(9.8)(20) = 392 m²/s²

v = 19.8 m/s

Verificación Dimensional

Verificar: v² = v₀² + 2gh

[v²] = [L²T⁻²]

[v₀²] = [L²T⁻²]

[2gh] = [LT⁻²][L] = [L²T⁻²]

✓ Todas las dimensiones coinciden

Resumen de Aplicaciones Prácticas

🏗️ Ingeniería
  • • Cálculo de fuerzas estructurales
  • • Análisis de resistencia de materiales
  • • Diseño de sistemas mecánicos
🚗 Mecánica
  • • Análisis de movimiento
  • • Cálculo de potencia de motores
  • • Diseño aerodinámico
Electricidad
  • • Análisis de circuitos
  • • Cálculo de campos eléctricos
  • • Diseño de transformadores
🌡️ Termodinámica
  • • Cálculo de eficiencia energética
  • • Análisis de transferencia de calor
  • • Diseño de sistemas térmicos
🔬 Investigación
  • • Validación de teorías
  • • Predicción de fenómenos
  • • Optimización experimental
📱 Tecnología
  • • Desarrollo de sensores
  • • Calibración de instrumentos
  • • Control de calidad

🎉 ¡Felicitaciones! Has completado el estudio de las Cantidades Físicas

Ahora posees las herramientas fundamentales para abordar cualquier problema de física con confianza y precisión.

💡 Ejemplos Prácticos Avanzados

🧭 Ejemplo 1: Navegación Aérea

Situación:

Un avión vuela hacia el este a 300 km/h, pero hay un viento del sur de 50 km/h.
Encontrar: Velocidad y dirección resultantes del avión.

📊 Análisis vectorial:

Velocidad del avión: Vₐ = 300î km/h (Este)

Velocidad del viento: Vᵥ = 50ĵ km/h (Norte)

Velocidad resultante: Vᵣ = Vₐ + Vᵥ

🧮 Cálculos:

|Vᵣ| = √(300² + 50²) = √(90000 + 2500)

|Vᵣ| = √92500 = 304.1 km/h

θ = arctan(50/300) = arctan(0.167)

θ = 9.5° al norte del este

🎯 Resultado:

El avión se mueve a 304.1 km/h en dirección 9.5° noreste

Ejemplo 2: Energía Cinética

Problema:

Deducir la fórmula de energía cinética usando análisis dimensional.
Variables: masa (m), velocidad (v)
Hipótesis: Eₖ = k × mᵃ × vᵇ

🔍 Análisis dimensional:

[Energía] = [M L² T⁻²]

[masa] = [M]

[velocidad] = [L T⁻¹]

[M L² T⁻²] = [M]ᵃ [L T⁻¹]ᵇ

[M L² T⁻²] = [M]ᵃ [L]ᵇ [T]⁻ᵇ

Ecuaciones:

Para M: a = 1

Para L: b = 2

Para T: -b = -2

Resultado:

Eₖ = k × m¹ × v²

Eₖ = ½mv²

(k = ½ por experimento)

📝 Ejercicios Vectoriales y Dimensionales

1 Clasificación de Magnitudes

Clasifica como escalar o vectorial:

  • a) Temperatura ambiente: 25°C
  • b) Desplazamiento: 50 m hacia el norte
  • c) Rapidez: 80 km/h
  • d) Peso: 700 N hacia abajo
  • e) Volumen: 2.5 L
  • f) Aceleración: 9.8 m/s² hacia abajo
2 Operaciones Vectoriales

Dados los vectores:

A⃗ = 3î + 4ĵ

B⃗ = -2î + 5ĵ

Calcular: A⃗ + B⃗, A⃗ - B⃗, |A⃗|, |B⃗|

3 Análisis Dimensional

Verificar si es dimensionalmente correcta:

v = v₀ + at

x = x₀ + v₀t + ½at²

P = F/A (Presión = Fuerza/Área)

4 Problema de Fuerzas

Tres fuerzas actúan sobre un objeto:

F₁ = 20 N hacia el este

F₂ = 15 N hacia el norte

F₃ = 10 N a 45° del este hacia el sur

Encontrar la fuerza resultante.

🎯 Simulador de Vectores Interactivo

🎛️ Controles de Vector
5.0
30°
📊 Componentes
4.33
Ax (horizontal)
2.50
Ay (vertical)
📈 Representación Gráfica
📝 Notación

A⃗ = 4.33î + 2.50ĵ

|A⃗| = 5.0, θ = 30°

🎓 Autoevaluación Final: Cantidades Físicas

Responde estas preguntas para evaluar tu comprensión de todos los módulos estudiados.

🔍 Preguntas Conceptuales

1. ¿Cuál es la diferencia entre precisión y exactitud?

2. ¿Por qué es importante el análisis dimensional?

3. Da un ejemplo de magnitud vectorial y explica por qué.

🧮 Ejercicios Prácticos

4. Expresar 2.5 × 10⁻³ m en notación científica con 3 cifras significativas:

5. Si A⃗ = 6î + 8ĵ, calcular |A⃗|:

6. Verificar dimensionalmente: E = mc²

Sistema Internacional Análisis Dimensional

Diseñado para

Estudiantes de Física

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Recursos Complementarios

Manual de Laboratorio
Videos Explicativos
Ejercicios Resueltos