| Fundamental | Complementario |
|---|---|
| 1 Describir el uso de reglas y cilindros graduados para determinar una longitud o un volumen | |
| 2 Describir cómo medir diversos intervalos de tiempo utilizando relojes y cronómetros digitales | |
| 3 Determinar un valor medio para una distancia pequeña y para un intervalo breve de tiempo mediante la medición de múltiplos (incluyendo el periodo de oscilación de un péndulo) | |
| 4 Comprender que una magnitud escalar posee solo magnitud (tamaño), mientras que una magnitud vectorial posee magnitud y dirección | |
| 5 Saber que las siguientes magnitudes son escalares: distancia, rapidez, tiempo, masa, energía y temperatura | |
| 6 Saber que las siguientes magnitudes son vectores: fuerza, peso, velocidad, aceleración, cantidad de movimiento, intensidad del campo eléctrico e intensidad del campo gravitatorio | |
| 7 Determinar, por cálculo o gráficamente, la resultante de dos vectores perpendiculares, limitándose a fuerzas o velocidades únicamente |
Movimiento, fuerzas y energía
IGCSE Física · Tema 1
23:51
Movimiento, fuerzas y energía
Mira a tu alrededor. Un coche acelera. Una pelota cae. Una taza permanece quieta sobre una mesa. La física puede describir cada uno de estos eventos —exactamente, usando números. Y todo se basa en…
Narración en inglés · Subtítulos en inglés + 中文 quemados en pantalla
1.1
Measurement 测量
Syllabus
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Length and volume
Use una regla 直尺 para medir la longitud. Lea la escala con el ojo directamente frente a la marca para evitar un error de lectura.
Use un cilindro graduado 量筒 para medir el volumen de un líquido. Lea la escala en la parte inferior de la superficie curva (el menisco 弯月面), con el ojo a la misma altura.
Measuring time
Utilice un cronómetro 秒表 o un temporizador digital 数字计时器 para medir un intervalo de tiempo. Un reloj es adecuado para tiempos largos (minutos u horas). El cronómetro se inicia y detiene manualmente, por lo que cada lectura tiene un error de tiempo de reacción 反应时间 de aproximadamente 0.2 s. Para reducir la influencia de este error, mida un intervalo largo o mida varias repeticiones y divida (ver más abajo).
Measuring small amounts
Medir una sola pequeña longitud o un corto tiempo es difícil de hacer bien. El truco es medir muchos y dividir 测多个再相除:
- Para encontrar el grosor de una página, mide 100 páginas y divide por 100.
- Para encontrar el tiempo de un oscilamiento completo de un péndulo 摆, mida el tiempo para 20 oscilamientos y divida por 20. Un oscilamiento completo se llama período 周期.
Esto reduce mucho la incertidumbre 不确定度 (el tamaño del error).
Escalar y vector
Una cantidad escalar 标量 tiene tamaño (magnitud 大小) solamente. Una cantidad vectorial 矢量 tiene tamaño y dirección.
- Scalars: distance, speed, time, mass 质量, energy 能量, temperature 温度.
- Vectores: fuerza 力, peso 重力, velocidad 速度, aceleración 加速度, momento 动量, intensidad de campo eléctrico 电场强度, intensidad de campo gravitatorio 重力场强度.
Para sumar dos vectores en ángulo recto (90°), dibújalos como dos lados de un rectángulo. La resultante 合矢量 es la diagonal. Encuentra su tamaño con Pitágoras y su dirección con trigonometría.
$$R = \sqrt{a^2 + b^2}$$
Explorar
Escalares y vectores
resultante = a + b
Agregue dos vectores punta con cola para encontrar la resultante.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| mass/mæs/ | 质量 | zhì liàng |
| energy/ˈenədʒi/ | 能量 | néng liàng |
| temperature/ˈtemprɪtʃə/ | 温度 | wēn dù |
| resultant/rɪˈzʌltənt/ | 合矢量 | hé shǐ liàng |
| moment/ˈməʊmənt/ | 力矩 | lì jǔ |
1.2
Movimiento 运动
Syllabus
| Núcleo | Complementario |
|---|---|
| 1 Definir la velocidad como distancia recorrida por unidad de tiempo; recordar y utilizar la ecuación $$v = \frac{s}{t}$$ |
|
| 2 Definir la velocidad (vectorial) como velocidad en una dirección dada | |
| 3 Recordar y utilizar la ecuación $$\text{velocidad media} = \frac{\text{distancia total recorrida}}{\text{tiempo total transcurrido}}$$ |
9 Definir la aceleración como cambio de velocidad por unidad de tiempo; recordar y utilizar la ecuación $$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$ |
| 4 Dibujar, representar e interpretar gráficas de posición–tiempo y de velocidad–tiempo | |
| 5 Determinar cualitativamente, a partir de datos dados o de la forma de una gráfica de posición–tiempo o de velocidad–tiempo, cuándo un objeto está: (a) en reposo (b) moviéndose con velocidad constante (c) acelerando (d) desacelerando | 10 Determinar a partir de datos dados o de la forma de una gráfica de velocidad–tiempo cuándo un objeto se mueve con: (a) aceleración constante (b) aceleración variable |
| 6 Calcular la velocidad a partir de la pendiente de un tramo rectilíneo de una gráfica de posición–tiempo | 11 Calcular la aceleración a partir de la pendiente de una gráfica de velocidad–tiempo |
| 7 Calcular el área bajo una gráfica de velocidad–tiempo para determinar la distancia recorrida en movimientos con velocidad constante o aceleración constante | |
| 12 Saber que la desaceleración es una aceleración negativa y usar esto en cálculos | |
| 8 Indicar que la aceleración de caída libre $g$ para un objeto cerca de la superficie de la Tierra es aproximadamente constante y tiene un valor aproximado de $9.8\text{ m/s}^2$ | 13 Describir el movimiento de objetos que caen en un campo gravitatorio uniforme con y sin resistencia del aire/líquido, incluyendo referencias a la velocidad terminal |
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Speed and velocity
Velocidad 速率 is the distance travelled per unit time.
$$v = \frac{s}{t}$$
La velocidad es rapidez en una dirección indicada. Por lo tanto, la velocidad es un vector pero la rapidez es un escalar.
$$\text{average speed} = \frac{\text{total distance}}{\text{total time}}$$
Aceleración
La aceleración es el cambio en la velocidad por unidad de tiempo.
$$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$
Aquí $\Delta v$ significa "el cambio en la velocidad". Una desaceleración 减速 (ralentización) es una aceleración negativa.
Ejemplo resuelto. Un coche acelera de $8\ \text{m/s}$ a $20\ \text{m/s}$ en $4.0\ \text{s}$. Encuentra su aceleración.
$$a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{20 - 8}{4.0} = 3.0\ \text{m/s}^2$$
Gráficas de movimiento
Un gráfico distancia-tiempo 距离-时间图 muestra cuánto ha recorrido un objeto:
- Una línea plana (horizontal) significa que el objeto está en reposo 静止.
- Una pendiente recta significa velocidad constante. La pendiente 斜率 (empinamiento) es la velocidad.
- Una curva que se empina significa que el objeto está acelerando.
Un gráfico velocidad-tiempo 速度-时间图 muestra qué tan rápido va un objeto:
- A flat line means constant speed.
- Una pendiente recta significa aceleración constante. La pendiente es la aceleración.
- El área bajo la línea 线下 área es la distancia recorrida.
Falling objects
Cerca de la Tierra, el campo gravitatorio es uniforme 均匀 (la misma fuerza en todas partes), por lo que todos los objetos aumentan su velocidad al caer a la misma tasa. Esta es la aceleración de caída libre 自由落体加速度, $g \approx 9.8\ \text{m/s}^2$.
Cuando un objeto cae a través del aire, la resistencia del aire 空气阻力 (una fuerza de arrastre) actúa hacia arriba. A medida que aumenta su velocidad, la resistencia del aire crece. Cuando la resistencia del aire iguala al peso, la fuerza resultante es cero y el objeto deja de acelerar. Luego cae a una velocidad terminal 收尾速度 constante.
Explorar
Gráfico velocidad-tiempo
Cambie u y a. La pendiente es la aceleración; el área bajo la línea es la distancia recorrida.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| velocity/vəˈlɒsɪti/ | 速度 | sù dù |
| acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ | 加速度 | jiā sù dù |
| motion/ˈməʊʃn/ | 运动 | yùn dòng |
| speed/spiːd/ | 速率 | sù lǜ |
| deceleration/dɪˌseləˈreɪʃn/ | 减速 | jiǎn sù |
| distance–time graph/ˈdɪstəns taɪm ɡræf/ | 距离-时间图 | jù lí - shí jiān tú |
| at rest/æt rest/ | 静止 | jìng zhǐ |
| gradient/ˈɡreɪdɪənt/ | 斜率 | xié lǜ |
| speed–time graph/spiːd taɪm ɡræf/ | 速度-时间图 | sù dù - shí jiān tú |
| area under the line/ˈeərɪə ˈʌndə ðə laɪn/ | 线下面积 | xiàn xià miàn jī |
| uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ | 均匀 | jūn yún |
| acceleration of free fall/əkˌseləˈreɪʃn ɒv friː fɔːl/ | 自由落体加速度 | zì yóu luò tǐ jiā sù dù |
| air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ | 空气阻力 | kōng qì zǔ lì |
| terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ | 收尾速度 | shōu wěi sù dù |
| matter/ˈmætə/ | 物质 | wù zhì |
1.3
Masa y peso
Syllabus
| Core | Supplemento |
|---|---|
| 1 Indicar que la masa es una medida de la cantidad de materia en un objeto en reposo respecto al observador | |
| 2 Indicar que el peso es una fuerza gravitatoria sobre un objeto que tiene masa | 5 Describir, y utilizar el concepto de, el peso como el efecto de un campo gravitatorio sobre una masa |
| 3 Definir la intensidad del campo gravitatorio como fuerza por unidad de masa; recordar y utilizar la ecuación $$g = \frac{W}{m}$$ y conocer que es equivalente a la aceleración de caída libre |
|
| 4 Saber que los pesos (y las masas) pueden compararse mediante una balanza |
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Masa es la cantidad de materia 物质 en un objeto. Se mide en kilogramos (kg) y no cambia cuando mueves el objeto.
Peso es la fuerza de gravedad sobre una masa. Se mide en newtons (N). El peso puede cambiar: es menor en la Luna porque la gravedad lunar es más débil.
La intensidad de campo gravitatorio es la fuerza por unidad de masa:
$$g = \frac{W}{m}$$
Este $g$ tiene el mismo valor que la aceleración de caída libre ($\approx 9.8\ \text{N/kg}$). Puedes comparar masas con una balanza 天平.
Explorar
Peso y masa
W = mg
El peso es proporcional a la masa — la pendiente es la intensidad del campo gravitatorio g (aproximadamente 10 N/kg en la Tierra).
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| balance/ˈbæləns/ | 天平 | tiān píng |
1.4
Densidad 密度
Syllabus
| Núcleo | Suplemento |
|---|---|
| 1 Definir la densidad como masa por unidad de volumen; recordar y utilizar la ecuación $$\rho = \frac{m}{V}$$ |
|
| 2 Describir cómo determinar la densidad de un líquido, de un sólido con forma regular y de un sólido con forma irregular que se hunde en un líquido (volumen por desplazamiento), incluyendo los cálculos correspondientes | |
| 3 Determinar si un objeto flota basándose en datos de densidad | 4 Determinar si un líquido flotará sobre otro líquido basándose en datos de densidad dados, siempre que los líquidos no se mezclen |
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Densidad is the mass per unit volume.
$$\rho = \frac{m}{V}$$
El símbolo $\rho$ es la letra griega "rho". La unidad es $\text{kg/m}^3$ o $\text{g/cm}^3$.
Para encontrar la densidad: mide la masa con una balanza, encuentra el volumen, luego divide.
- Sólido regular 规则固体 (como una caja): mide los lados y calcula el volumen.
- Sólido irregular 不规则固体 (una forma extraña): sumérjalo en agua dentro de un cilindro graduado. El aumento en el nivel del agua es su volumen. Este es el método de desplazamiento 排水法.
- Líquido: coloque un cilindro graduado vacío en la balanza y lea su masa. Vierta el líquido, lea el volumen en el cilindro y lea la masa nuevamente. La masa del líquido es la diferencia entre las dos lecturas de masa.
Un objeto flota 漂浮 si su densidad es menor que la densidad del líquido. Se hunde si su densidad es mayor. De la misma manera, un líquido flota sobre otro (si los dos no se mezclan) cuando su densidad es menor: el aceite flota sobre el agua.
Ejemplo resuelto. Una piedra de masa $54\ \text{g}$ se baja en un cilindro graduado. El nivel del agua sube de $20\ \text{cm}^3$ a $40\ \text{cm}^3$. Encuentre la densidad de la piedra.
El volumen de la piedra es el aumento en el nivel del agua, $40 - 20 = 20\ \text{cm}^3$, por lo tanto,
$$\rho = \frac{m}{V} = \frac{54}{20} = 2.7\ \text{g/cm}^3$$
Explorar
Flotación y densidad
Cambie la densidad del objeto y el líquido: flota si es menos denso, y cuanto más denso es, más se hunde bajo el agua. El hierro se hunde en agua pero flota sobre mercurio.
Vocabulario
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| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| density/ˈdensɪti/ | 密度 | mì dù |
| regular solid/ˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ | 规则固体 | guī zé gù tǐ |
| irregular solid/ɪˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ | 不规则固体 | bù guī zé gù tǐ |
| displacement method/dɪˈspleɪsmənt ˈmeθəd/ | 排水法 | pái shuǐ fǎ |
| floats/fləʊts/ | 漂浮 | piāo fú |
| shape/ʃeɪp/ | 形状 | xíng zhuàng |
| extension/ekˈstenʃn/ | 伸长量 | shēn cháng liàng |
| load–extension graph/ləʊd ekˈstenʃn ɡræf/ | 载荷-伸长图 | zài hè - shēn cháng tú |
| limit of proportionality/ˈlɪmɪt ɒv prəˌpɔːʃəˈnælɪti/ | 比例极限 | bǐ lì jí xiàn |
| spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ | 弹簧常数 | tán huáng cháng shù |
1.5
Fuerzas
Syllabus
1.5.1 Efectos de las fuerzas
| Básico | Complementario |
|---|---|
| 1 Saber que las fuerzas pueden producir cambios en el tamaño y la forma de un objeto | 9 Definir la constante del resorte como fuerza por unidad de elongación; recordar y utilizar la ecuación $$k = \frac{F}{x}$$ |
| 2 Dibujar, graficar e interpretar gráficos de carga–elongación para un sólido elástico y describir los procedimientos experimentales asociados | 10 Definir y utilizar el término ‘límite de proporcionalidad’ para un gráfico de carga–elongación e identificar este punto en el gráfico (no se requiere comprensión del límite elástico) |
| 3 Determinar la resultante de dos o más fuerzas que actúan a lo largo de la misma línea recta | 11 Recordar y utilizar la ecuación $F = ma$ y saber que la fuerza y la aceleración están en la misma dirección |
| 4 Saber que un objeto permanece en reposo o continúa en línea recta a velocidad constante a menos que actúe sobre él una fuerza resultante | |
| 5 Establecer que una fuerza resultante puede cambiar la velocidad de un objeto modificando su dirección de movimiento o su rapidez | 12 Describir, cualitativamente, el movimiento en una trayectoria circular debido a una fuerza perpendicular al movimiento como: (a) la rapidez aumenta si la fuerza aumenta, con masa y radio constantes (b) el radio disminuye si la fuerza aumenta, con masa y rapidez constantes (c) una mayor masa requiere una mayor fuerza para mantener constante la rapidez y el radio ($F = \frac{mv^2}{r}$ no es requerido) |
| 6 Describir la fricción sólida como la fuerza entre dos superficies que puede impedir el movimiento y producir calentamiento | |
| 7 Saber que la fricción (arrastre) actúa sobre un objeto que se mueve a través de un líquido | |
| 8 Saber que la fricción (arrastre) actúa sobre un objeto que se mueve a través de un gas (por ejemplo, resistencia del aire) |
1.5.2 Efecto giratorio de las fuerzas
| Básico | Complementario |
|---|---|
| 1 Describir el momento de una fuerza como una medida de su efecto giratorio y dar ejemplos cotidianos | |
| 2 Definir el momento de una fuerza como $\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$; recordar y utilizar esta ecuación | |
| 3 Aplicar el principio de los momentos a situaciones con una fuerza a cada lado del pivote, incluido el equilibrio de una viga | 5 Aplicar el principio de los momentos a otras situaciones, incluidas aquellas con más de una fuerza a cada lado del pivote |
| 4 Establecer que, cuando no hay fuerza resultante ni momento resultante, un objeto está en equilibrio | 6 Describir un experimento para demostrar que no hay momento resultante sobre un objeto en equilibrio |
1.5.3 Centro de gravedad
| Básico | Complementario |
|---|---|
| 1 Establecer qué se entiende por centro de gravedad | |
| 2 Describir un experimento para determinar la posición del centro de gravedad de una lámina plana de forma irregular | |
| 3 Describir, cualitativamente, el efecto de la posición del centro de gravedad sobre la estabilidad de objetos simples |
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Una fuerza es un empuje o un tirón. Una fuerza puede cambiar la forma 形状, la velocidad o la dirección de un objeto.
Stretching (Hooke's law)
Cuando cuelgas una carga de un resorte, se estira. La estirada se llama extensión 伸长量.
En un gráfico carga-extensión 载荷-伸长图 la línea es recta al principio: la extensión es proporcional a la carga. El punto donde la línea deja de ser recto es el límite de proporcionalidad 比例极限.
El experimento. Cuelgue el resorte de un soporte y coloque una regla junto a él. Lea la posición de la parte inferior del resorte sin carga: esta es la longitud original. Añada cargas una por una (por ejemplo, 1 N cada una) y registre la nueva longitud cada vez. La extensión es la nueva longitud menos la longitud original. Trace la carga en el eje y frente a la extensión en el eje x.
La constante del resorte 弹簧常数 es la fuerza por unidad de extensión:
$$k = \frac{F}{x}$$
A large $k$ means a stiff spring.
Resultant force and Newton's laws
Suma las fuerzas en una línea recta para obtener la fuerza resultante 合力 (las fuerzas en una dirección son positivas, en la otra negativas).
- Si la fuerza resultante es cero, el objeto permanece en reposo o sigue moviéndose en línea recta a velocidad constante. (Primera ley de Newton.)
- Si la fuerza resultante no es cero, el objeto acelera en la dirección de la fuerza:
$$F = ma$$
Ejemplo resuelto. Un coche $1200\ \text{kg}$ tiene una fuerza motriz de $3000\ \text{N}$ y una resistencia al rozamiento de $600\ \text{N}$. Encuentre su aceleración.
First find the resultant force: $3000 - 600 = 2400\ \text{N}$. Then
$$a = \frac{F}{m} = \frac{2400}{1200} = 2.0\ \text{m/s}^2$$
Movimiento circular
Una fuerza resultante perpendicular al movimiento no cambia la velocidad. Cambia la dirección, por lo que el objeto se mueve en un círculo a velocidad constante. Esto es movimiento circular 圆周运动. La fuerza siempre apunta hacia el centro del círculo: la tensión de la cuerda sobre una bola giratoria, o la gravedad del Sol sobre un planeta.
For an object moving in a circle:
- se necesita una fuerza mayor para mantener la misma masa moviéndose a mayor velocidad en un círculo del mismo radio;
- una fuerza mayor hace que la misma masa, a la misma velocidad, se mueva en un círculo más pequeño (un radio menor);
- una masa mayor necesita una fuerza mayor para mantener la misma velocidad y el mismo radio.
Fricción
La fricción es la fuerza entre dos superficies que se tocan. Intenta detener el movimiento y hace que las cosas se calienten. La resistencia del fluido (fricción en un líquido o gas, como la resistencia del aire) también ralentiza los objetos.
Moments — the turning effect
El momento de una fuerza es su efecto de giro alrededor de un punto de apoyo.
$$\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$$
The unit is the newton metre (N m).
Principio de momentos: cuando un objeto está equilibrado (en equilibrio),
$$\text{total clockwise moment} = \text{total anticlockwise moment}$$
Un objeto está en equilibrio cuando no hay fuerza resultante ni momento resultante.
Ejemplo resuelto. Un peso de $30\ \text{N}$ está situado a $0.20\ \text{m}$ a la izquierda de un punto de apoyo. ¿A qué distancia a la derecha debe colocarse un peso de $20\ \text{N}$ para equilibrar la viga?
Balanced, so anticlockwise moment $=$ clockwise moment:
$$30 \times 0.20 = 20 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{6.0}{20} = 0.30\ \text{m}$$
Comprobación del principio mediante experimento. Equilibre una regla métrica en su centro sobre un punto de apoyo. Cuelgue un peso conocido en cada lado y muévalos hasta que la regla se equilibre nuevamente. Mida cada distancia desde el punto de apoyo. Fuerza × distancia a la izquierda es igual a fuerza × distancia a la derecha, dentro de los pequeños errores de medición, por lo que no hay momento resultante en un objeto equilibrado.
Centro de gravedad
El centro de gravedad 重心 es el único punto donde parece actuar todo el peso de un objeto.
Para una forma plana (lámina 薄片), cuélguela de un pasador y déjela asentarse; trace una línea vertical hacia abajo desde el pasador usando un hilo con plomada. Repita desde otro punto. El centro de gravedad está donde se cruzan las líneas.
La estabilidad 稳定性 de un objeto depende de dónde esté su centro de gravedad. Un objeto es más estable 稳定 cuando su centro de gravedad está bajo y su base es ancha. Se vuelca cuando una línea vertical hacia abajo desde el centro de gravedad pasa fuera de la base.
Explorar
Fuerzas y leyes de Newton
F = ma (resultante)
La fuerza resultante determina la aceleración; fuerzas equilibradas ⇒ ninguna.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| force/fɔːs/ | 力 | lì |
| weight/weɪt/ | 重力 | zhòng lì |
| resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ | 合力 | hé lì |
| circular motion/ˈsɜːkjʊlə ˈməʊʃn/ | 圆周运动 | yuán zhōu yùn dòng |
| radius/ˈreɪdɪəs/ | 半径 | bàn jìng |
| friction/ˈfrɪkʃn/ | 摩擦力 | mó cā lì |
| pivot/ˈpɪvət/ | 支点 | zhī diǎn |
| principle of moments/ˈprɪnsɪpl ɒv ˈməʊmənts/ | 力矩原理 | lì jǔ yuán lǐ |
| equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ | 平衡 | píng héng |
| centre of gravity/ˈsentə ɒv ˈɡrævɪti/ | 重心 | zhòng xīn |
| lamina/ˈlæmɪnə/ | 薄片 | báo piàn |
| stability/stəˈbɪlɪti/ | 稳定性 | wěn dìng xìng |
| stable/ˈsteɪbl/ | 稳定 | wěn dìng |
| elastic (strain)/ɪˈlæstɪk/ | 弹性势能 | tán xìng shì néng |
1.6
Momento lineal
Syllabus
| Núcleo | Complementario |
|---|---|
| 1 Definir el momento lineal como masa $\times$ velocidad; recordar y usar la ecuación $p = mv$ | |
| 2 Definir el impulso como fuerza $\times$ tiempo durante el cual actúa la fuerza; recordar y usar la ecuación $\text{impulse} = F\Delta t = \Delta(mv)$ | |
| 3 Aplicar el principio de conservación del momento lineal para resolver problemas simples en una dimensión | |
| 4 Definir la fuerza resultante como el cambio en el momento lineal por unidad de tiempo; recordar y usar la ecuación $F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$ |
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Momento is mass times velocity. It is a vector.
$$p = mv$$
Impulso 冲量 es la fuerza multiplicada por el tiempo durante el cual actúa, y es igual al cambio en el momento lineal:
$$\text{impulse} = F\,\Delta t = \Delta(mv)$$
Por lo tanto, la fuerza resultante es el cambio en el momento lineal por unidad de tiempo:
$$F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$$
Conservación del momento lineal: cuando los objetos chocan y no actúa ninguna fuerza exterior, el momento total antes del choque es igual al momento total después del choque.
$$m_1 u_1 + m_2 u_2 = m_1 v_1 + m_2 v_2$$
(Aquí $u$ es una velocidad inicial y $v$ es una velocidad final.)
Ejemplo resuelto. Un carrito $2.0\ \text{kg}$ que se mueve a $3.0\ \text{m/s}$ choca contra un carrito estacionario $1.0\ \text{kg}$ y se quedan unidos. Encuentre su velocidad común después del choque.
Total momentum is conserved, so
$$(2.0 \times 3.0) + (1.0 \times 0) = (2.0 + 1.0)\,v \quad\Rightarrow\quad v = \frac{6.0}{3.0} = 2.0\ \text{m/s}$$
Explorar
Momento en una colisión
Establezca las masas y velocidades y colisione. El momento total se conserva.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| momentum/məʊˈmentəm/ | 动量 | dòng liàng |
| electric field strength/ɪˈlektrɪk fiːld streŋθ/ | 电场强度 | diàn chǎng qiáng dù |
| gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ | 重力场强度 | zhòng lì chǎng qiáng dù |
| impulse/ˈɪmpʌls/ | 冲量 | chōng liàng |
| conservation of momentum/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv məʊˈmentəm/ | 动量守恒 | dòng liàng shǒu héng |
| stored/stɔːd/ | 储存 | chǔ cún |
1.7
Energía, trabajo y potencia
Syllabus
1.7.1 Energía
| Básico | Complementario |
|---|---|
| 1 Indicar que la energía puede almacenarse como cinética, potencial gravitatoria, química, elástica (de deformación), nuclear, electrostática e interna (térmica) | |
| 2 Describir cómo se transfiere la energía entre almacenes durante eventos y procesos, incluyendo ejemplos de transferencia por fuerzas (trabajo mecánico realizado), corrientes eléctricas (trabajo eléctrico realizado), calentamiento, y por ondas electromagnéticas, sonoras y otras ondas | |
| 4 Recordar y utilizar la ecuación para la energía cinética $E_k = \frac{1}{2}mv^2$ | |
| 5 Recordar y utilizar la ecuación para el cambio en la energía potencial gravitatoria $\Delta E_p = mg\Delta h$ | |
| 3 Conocer el principio de la conservación de la energía y aplicar este principio a ejemplos simples, incluida la interpretación de diagramas de flujo simples | 6 Conocer el principio de la conservación de la energía y aplicarlo a ejemplos complejos que implican múltiples etapas, incluida la interpretación de diagramas de Sankey |
1.7.2 Trabajo
| Básico | Complementario |
|---|---|
| 1 Comprender que el trabajo mecánico o eléctrico realizado es igual a la energía transferida | |
| 2 Recordar y utilizar la ecuación para el trabajo mecánico $W = Fd = \Delta E$ |
1.7.3 Fuentes de energía
| Básico | Complementario |
|---|---|
| 1 Describir cómo puede obtenerse energía útil o generarse potencia eléctrica a partir de: (a) energía química almacenada en combustibles fósiles (b) energía química almacenada en biocombustibles (c) agua, incluida la energía almacenada en las olas, en las mareas y en el agua detrás de presas hidroeléctricas (d) recursos geotérmicos (e) combustible nuclear (f) luz del Sol para generar potencia eléctrica (células solares) (g) radiación infrarroja y otras ondas electromagnéticas del Sol para calentar agua (paneles solares) y ser la fuente de energía eólica, incluidas referencias a una caldera, turbina y generador donde se utilizan | 4 Saber que la radiación del Sol es la principal fuente de energía para todas nuestras fuentes de energía, excepto la geotérmica, la nuclear y la maremotriz |
| 2 Describir las ventajas y desventajas de cada método en términos de renovabilidad, disponibilidad, fiabilidad, escala e impacto ambiental | 5 Saber que la energía se libera mediante fusión nuclear en el Sol |
| 6 Saber que se están llevando a cabo investigaciones para investigar cómo puede utilizarse la energía liberada por la fusión nuclear para producir energía eléctrica a gran escala | |
| 3 Comprender, cualitativamente, el concepto de eficiencia de la transferencia de energía | 7 Definir la eficiencia como: (a) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful energy output)}}{\text{(total energy input)}} (\times 100\%)$ (b) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful power output)}}{\text{(total power input)}} (\times 100\%)$ recordar y utilizar estas ecuaciones |
1.7.4 Potencia
| Básico | Complementario |
|---|---|
| 1 Definir la potencia como trabajo realizado por unidad de tiempo y también como energía transferida por unidad de tiempo; recordar y utilizar las ecuaciones (a) $P = \frac{W}{t}$ (b) $P = \frac{\Delta E}{t}$ |
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Energy stores
La energía puede estar almacenada de diferentes formas: cinética, potencial gravitatoria, química, elástica (de deformación), nuclear, electrostática e interna (térmica).
La energía se transfiere entre almacenes mediante fuerzas (trabajo mecánico), corrientes eléctricas, calor y ondas (como la luz y el sonido).
Energía cinética y potencial
La energía cinética es la energía de un objeto en movimiento:
$$E_k = \frac{1}{2}mv^2$$
El cambio en la energía potencial gravitatoria cuando un objeto sube o baja una altura $\Delta h$:
$$\Delta E_p = mg\,\Delta h$$
Conservación de la energía
El principio de conservación de la energía 能量守恒定律 dice que la energía nunca se crea ni se destruye; solo se transfiere entre almacenes. Un objeto que cae convierte energía potencial gravitatoria en energía cinética. Un diagrama de Sankey 桑基图 muestra cómo la energía de entrada se divide en energía útil y energía desperdiciada 浪费.
Ejemplo resuelto. Una bola $0.50\ \text{kg}$ se deja caer desde una altura de $1.8\ \text{m}$. Ignorando la resistencia del aire, encuentre su velocidad justo antes de tocar el suelo. (Tome $g = 10\ \text{m/s}^2$.)
Toda la energía potencial gravitatoria se convierte en energía cinética, por lo que $\tfrac{1}{2}mv^2 = mg\,\Delta h$. La masa se cancela, dejando $v^2 = 2g\,\Delta h$:
$$v = \sqrt{2 \times 10 \times 1.8} = \sqrt{36} = 6.0\ \text{m/s}$$
Debido a que la masa se cancela, cualquier objeto soltado desde esta altura aterrizaría a la misma velocidad.
Trabajo
El trabajo realizado es igual a la energía transferida. Cuando una fuerza mueve un objeto:
$$W = Fd = \Delta E$$
La unidad de trabajo y energía es el joule (J).
Potencia
La potencia es el trabajo realizado (o la energía transferida) por unidad de tiempo.
$$P = \frac{W}{t} = \frac{\Delta E}{t}$$
The unit is the watt 瓦特 (W). $1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$.
Eficiencia
La eficiencia indica cuánto de la energía de entrada se convierte en energía útil.
$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} \times 100\%$$
La eficiencia es siempre menor del 100 % porque siempre se desperdicia algo de energía (generalmente en forma de calor). La misma idea se aplica a la potencia:
$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful power output}}{\text{total power input}} \times 100\%$$
Ejemplo resuelto. Un motor recibe $200\ \text{J}$ de energía eléctrica y eleva una carga, proporcionándole $150\ \text{J}$ de energía potencial gravitatoria. Encuentre su eficiencia.
$$\text{efficiency} = \frac{150}{200} \times 100\% = 75\%$$
Energy resources
Generamos electricidad a partir de muchos recursos energéticos. La mayoría hacen girar una turbina que acciona un generador, a menudo hirviendo agua para producir vapor (combustibles fósiles, combustible nuclear, geotérmico, biocombustibles), o directamente moviendo agua o aire (hidroeléctrica, olas, mareas, viento). Las celdas solares generan electricidad a partir de la luz solar directamente; los paneles solares calientan agua.
| Resource | Renewable? | Notes |
|---|---|---|
| combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas) | no | fiables, alta producción, pero emiten CO₂ y contaminan |
| combustible nuclear | no | enorme producción, sin CO₂, pero genera residuos radiactivos |
| biofuels | yes | roughly carbon-neutral if replanted |
| hidroeléctrica | sí | fiable, pero una presa inunda tierras |
| wind | yes | clean, but intermittent |
| solar | yes | clean, but only in daylight |
| geotérmica / mareomotriz | sí | fiable pero limitada a ciertos lugares |
Cuando compare recursos, use estas cinco ideas: renovabilidad 可再生性 (¿se agotará?), disponibilidad 可用性 (¿está siempre ahí? el viento puede cesar y el Sol se pone), confiabilidad 可靠性 (¿proporciona una salida constante?), escala 规模 (¿cuánta energía puede suministrar?) e impacto ambiental 环境影响 (contaminación, dióxido de carbono, tierra inundada por una presa).
La mayoría de estos se remontan al Sol (los combustibles fósiles son antigua luz solar almacenada; el viento y las olas provienen del calentamiento solar) – las excepciones son la energía geotérmica, nuclear y mareomotriz. El propio Sol está impulsado por fusión nuclear 核聚vión, uniendo núcleos de hidrógeno en helio. Los científicos están investigando cómo utilizar la fusión en centrales eléctricas en la Tierra, pero ningún reactor de fusión ha producido aún más energía eléctrica de la que consume.
Explorar
Flujo de energía y eficiencia
La energía de entrada se divide en salida útil y energía desperdiciada; la eficiencia es la fracción útil, y el total siempre se conserva.
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Conservación de la energía
Deje caer el objeto: la EPE se convierte en EC, y la total se mantiene igual cuando no hay fricción.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| measurement/ˈmeʒəmənt/ | 测量 | cè liáng |
| ruler/ˈruːlə/ | 直尺 | zhí chǐ |
| measuring cylinder/ˈmeʒərɪŋ ˈsɪlɪndə/ | 量筒 | liáng tǒng |
| meniscus/ˈmenɪskəs/ | 弯月面 | wān yuè miàn |
| stopwatch/ˈstɒpwɒtʃ/ | 秒表 | miǎo biǎo |
| digital timer/ˈdɪdʒɪtl ˈtaɪmə/ | 数字计时器 | shù zì jì shí qì |
| reaction time/rɪˈækʃn taɪm/ | 反应时间 | fǎn yìng shí jiān |
| measure many and divide/ˈmeʒə ˈmeni ænd dɪˈvaɪd/ | 测多个再相除 | cè duō gè zài xiāng chú |
| pendulum/ˈpendjʊləm/ | 摆 | bǎi |
| period/ˈpɪərɪəd/ | 周期 | zhōu qī |
| uncertainty/ʌnˈsɜːtənti/ | 不确定度 | bù què dìng dù |
| scalar quantity/ˈskeɪlə ˈkwɒntɪti/ | 标量 | biāo liàng |
| magnitude/ˈmæɡnɪtjuːd/ | 大小 | dà xiǎo |
| vector quantity/ˈvektə ˈkwɒntɪti/ | 矢量 | shǐ liàng |
| kinetic/kɪˈnetɪk/ | 动能 | dòng néng |
| gravitational potential/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl/ | 重力势能 | zhòng lì shì néng |
| chemical/ˈkemɪkl/ | 化学能 | huà xué néng |
| nuclear/ˈnjuːklɪə/ | 核能 | hé néng |
| electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ | 静电能 | jìng diàn néng |
| internal (thermal)/ɪnˈtɜːnl/ | 内能 | nèi néng |
| transferred/trænsˈfɜːd/ | 转移 | zhuǎn yí |
| principle of conservation of energy/ˈprɪnsɪpl ɒv ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ | 能量守恒定律 | néng liàng shǒu héng dìng lǜ |
| Sankey diagram/ˈsæŋki ˈdaɪəɡræm/ | 桑基图 | sāng jī tú |
| wasted/ˈweɪstɪd/ | 浪费 | làng fèi |
| work done/wɜːk dʌn/ | 做功 | zuò gōng |
| joule/dʒuːl/ | 焦耳 | jiāo ěr |
| power/ˈpaʊə/ | 功率 | gōng lǜ |
| watt/wɒt/ | 瓦特 | wǎ tè |
| efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ | 效率 | xiào lǜ |
| renewability/rɪˌnjuːəˈbɪlɪti/ | 可再生性 | kě zài shēng xìng |
| availability/əˌveɪləˈbɪlɪti/ | 可用性 | kě yòng xìng |
| reliability/rɪˌlaɪəˈbɪlɪti/ | 可靠性 | kě kào xìng |
| scale/skeɪl/ | 规模 | guī mó |
| environmental impact/enˌvaɪrənˈmentl ˈɪmpækt/ | 环境影响 | huán jìng yǐng xiǎng |
| nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ | 核聚变 | hé jù biàn |
1.8
Presión 压强
Syllabus
| Fundamental | Suplementario |
|---|---|
| 1 Definir la presión como fuerza por unidad de área; recordar y utilizar la ecuación $p = \frac{F}{A}$ | |
| 2 Describir cómo varía la presión con la fuerza y el área en el contexto de ejemplos cotidianos | |
| 3 Describir, cualitativamente, cómo cambia la presión bajo la superficie de un líquido con la profundidad y la densidad del líquido | 4 Recordar y utilizar la ecuación para el cambio de presión bajo la superficie de un líquido $\Delta p = \rho g \Delta h$ |
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Presión is the force per unit area.
$$p = \frac{F}{A}$$
The unit is the pascal 帕斯卡 (Pa). $1\ \text{Pa} = 1\ \text{N/m}^2$.
Una pequeña superficie produce una gran presión (un cuchillo afilado corta bien). Una gran superficie produce una pequeña presión (las raquetas de nieve evitan que te hundas).
Pressure in a liquid
En un líquido, la presión aumenta con la profundidad y con la densidad del líquido:
$$\Delta p = \rho g \,\Delta h$$
Por eso una presa se construye más gruesa en la parte inferior, donde la presión del agua es mayor. La presión en un líquido actúa en todas direcciones.
Ejemplo resuelto. Encuentre la presión adicional a una profundidad de $2.0\ \text{m}$ en agua (densidad $1000\ \text{kg/m}^3$, $g = 10\ \text{N/kg}$).
$$\Delta p = \rho g\,\Delta h = 1000 \times 10 \times 2.0 = 20\,000\ \text{Pa}$$
Explorar
Presión
p = ρg·h
La presión en un líquido es proporcional a la profundidad.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| pressure/ˈpreʃə/ | 压强 | yā qiáng |
| pascal/ˈpæskl/ | 帕斯卡 | pà sī kǎ |
| depth/depθ/ | 深度 | shēn dù |
1.8
Consejos para el examen
- En un gráfico distancia-tiempo, la pendiente es la velocidad; en un gráfico velocidad-tiempo, la pendiente es la aceleración y el área bajo la línea es la distancia recorrida. Nunca lea un gráfico como si fuera el otro.
- La masa (kg) es la cantidad de materia y es la misma en todas partes; el peso (N) es la fuerza de gravedad, $W = mg$. En la Luna tu masa no cambia pero tu peso es menor.
- La rapidez es una cantidad escalar; la velocidad es un vector. Algo que se mueve a rapidez constante alrededor de una curva aún está acelerando, porque su dirección cambia continuamente.
- En la ley de Hooke, la carga es proporcional a la extensión solo hasta el límite de proporcionalidad. Use la extensión (longitud estirada − longitud original), nunca la longitud total.
- El momento lineal $p = mv$ se conserva en un choque. Asigne a cada velocidad un signo $+$ o $-$ para su dirección antes de sumarlos.
- Convierta las unidades primero (cm → m, g → kg). Utilice $p = F/A$ para un sólido presionando sobre una superficie, pero $p = \rho g h$ para la presión dentro de un líquido, ya que son fórmulas diferentes.
Lecciones interactivas sobre este tema
Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.