Experimentos cuantitativos fáciles de realizar en casa [cerrado]

Recomiendo el ejemplo del que escribí aquí antes, con respecto a las barras de chocolate y las microondas, no es exactamente lo que está pidiendo, sino pura física de todos modos: si no sale según lo planeado, puede comer la muestra de prueba, que es una rareza en experimentos

Chocolate y la velocidad de la luz

El segundo ejemplo (punto de datos) es medir la disminución del sonido cuando se saca el aire de un recipiente (idea tipo campana de cristal), no sé qué tan fácil es configurar esto. Hervir agua en vapor dentro de un recipiente de paredes fuertes producirá un vacío cada vez más apretado,

YouTube tiene muchos ejemplos, pero suelen ser más dramáticos que datos.

El experimento del péndulo simple es muy simple de realizar, del cual se pueden sacar muchas conclusiones. Un objeto como una pelota, como una manzana, se puede usar como peso en la parte inferior y se puede unir una cuerda a la lenteja. Podría intentar cambiar las masas, la longitud de la cuerda y luego la amplitud de las oscilaciones. Se puede aprender mucho de este experimento, y los datos se pueden recopilar y trazar

I) Aceleración debida a la gravedad sobre objetos de distinto peso

Apuntar:

Encontrar una relación entre el peso del objeto y el tiempo que tarda en llegar al suelo desde una altura común. Opcionalmente, puede trazar un gráfico. Opcionalmente, el objetivo también puede ser demostrar que el Aristóteles de 60 años está equivocado.

Aparato Requerido:

• Cronómetro (reloj o temporizador)
• Objetos de prueba

Procedimiento:

• Encuentre un lugar adecuado para dejar caer objetos (altura común).
• Con el cronómetro en una mano y el objeto en la otra mano, deje caer el objeto desde la altura común y ponga en marcha el cronómetro simultáneamente.
• Detenga el reloj después de que el objeto golpee el suelo.
• Repita el experimento tres veces para cada objeto ( explíquele a su hijo la importancia de sacar el promedio )
• Anote los valores en una tabla.

Resultado Esperado

El tiempo que tardan los objetos en caer desde la misma altura es independiente de su peso.

Notas:

• Hacer uso de objetos pesados ​​(piedras, rocas; deben ser lo suficientemente pesados ​​para que la resistencia del aire sea insignificante)
• Asegúrese de que la altura común desde donde se dejan caer los objetos sea al menos$20m$. Para una altura de$20m$, el objeto teóricamente debería tardar 2 segundos en caer. Para una altura de$5m$, el objeto tarda solo un segundo. Cuanto mayor sea la altura, mejor.
• Puede usar un plano inclinado para demostrar el mismo concepto, pero las fuerzas de fricción pueden comenzar a causar problemas.

II) Relación entre peso/fuerza y ​​extensión de un resorte

Apuntar:

Encontrar la relación entre la extensión de un resorte y la fuerza (peso) aplicada a la cuerda. Opcionalmente, encuentre la constante de resorte del resorte.

Aparato Requerido:

• Primavera (que obedece la ley de Hooke)
• Pesos de muestra (use múltiplos de un número; por ejemplo,$50g$,$100g$,$150g$,$200g$,$250g$)
• Pan o un colgador de pesas para sostener las pesas
• Escala de medida larga

Diagrama:

Fórmula:

Procedimiento:

• Suspender el resorte de un soporte
• Fije la percha/bandeja al resorte
• Mida la longitud predeterminada del resorte ($l_0$)
• Añadir peso$w_1$en la percha/bandeja
• Mida la nueva longitud del resorte ($l_1$)
• Añadir peso$w_2$en la percha/bandeja
• Mida la nueva longitud del resorte ($l_2$)
• Repita los dos pasos anteriores para otros pesos
• Registrar los datos en una tabla
• Para cada valor de$l_i$, calcula la extensión$\Delta L_1 = l_1 - l_0$
• Trace un gráfico de la extensión (eje y) frente al peso (eje x)
• Calcular la pendiente de la gráfica (la pendiente de la gráfica es igual a$\frac{1}{k}$)

Resultado Esperado:

Obtienes una línea recta en el gráfico que, si se extrapola, pasa por el origen. Esto muestra que la extensión en el resorte varía linealmente con la fuerza (peso) aplicada sobre el resorte.

Notas:

• No use pesos muy pesados. Además de dar lecturas incorrectas, el resorte podría dañarse permanentemente.

Hay un experimento interesante y simple que consiste en medir la longitud de la sombra de uno en diferentes momentos del día, y verificar si la sombra más corta realmente ocurre alrededor del mediodía nominal. Es divertido trazar con tizas de colores el contorno de la sombra en un camino de entrada o en la calle (si es posible). Los adultos pueden hacer esto con sus hijos, comparando las longitudes de las sombras.

Dependiendo de qué tan sofisticado quieras ser, esto se puede combinar con la medición de la longitud de la sombra de otros objetos, como árboles, una casa o un edificio cercano. Usando un triángulo similar "a la Musgrave Ritual"

y la altura conocida de su hijo, uno puede determinar usando proporciones la altura del edificio o del árbol.

Informática$\pi$:

Simplemente mida el diámetro y la circunferencia de varios círculos que encuentre en la casa (vasos, tazones, llantas, etc.). Calcule las razones de las circunferencias y los diámetros de los círculos y deberían estar rondando el mismo valor de

Medición de la velocidad terminal

Consigue algo ligero como los estuches de papel para cupcakes y déjalos caer desde una altura.

Filme su caída con una cinta métrica detrás de ellos.

Puede agregar peso (quizás variando los grumos de blue-tac) y ver cómo cambia la velocidad terminal.

Querrá una distancia bastante larga para que caigan las cajas de cupcakes si les está agregando un peso considerable, pero incluso cambios leves deberían darle velocidades terminales diferentes.

De esta forma, puede volver a ver el metraje y marcar el tiempo cuando pasan cada marcador de 10 cm. Esto introduce la velocidad = distancia (10 cm) / tiempo (sin importar el tiempo que haya medido) y luego, si compara cada velocidad diferente, puede trazar una aceleración. (Disminuir la distancia que compara - los 10 cm - le dará más datos y una medida más precisa y también le dará a su hijo una pequeña introducción a la idea del cálculo$v=\frac{dx}{dt}$).

Esperemos que esto tenga suficiente para que su hijo encuentre su nivel.

La electricidad tiene un buen potencial para experimentos atractivos, y mientras te quedes con corriente continua, las matemáticas son bastante simples. Además, medir las características I–V (corriente frente a voltaje) requiere solo un multímetro simple.

Por ejemplo, podría mostrar cómo diferenciar los LED de diferentes colores midiendo su voltaje de umbral o calcular la temperatura midiendo la caída de voltaje del diodo.

Pruebe algunas ópticas.

• Podría presentarle a su hijo la Ley de Snell y el concepto del índice de refracción. Con un puntero láser y una losa de vidrio (o un acuario o un jarrón), puede rastrear un rayo de luz entrante en una hoja de papel y medir el ángulo de refracción con un transportador. A partir de esto, puede explicar la densidad óptica y la función sin(x) (y su relación con un círculo). Intente obtener una reflexión interna total y pruébela con diferentes materiales (plástico, agua, vidrio, etc.) o fuentes de luz (puntero láser verde y rojo). En este video de YouTube se muestra una gran configuración .

• Explora la ecuación de la lente . Encuentre una lente adecuada (convexa), una bombilla (con filamento, tubo de mercurio o algún conjunto de LED) y una pantalla blanca plana (papel pegado a la cubierta de un libro, no se dobla) e intente encontrar una posición donde la pantalla muestre una imagen clara del filamento de la bombilla. Mida las distancias entre la fuente de luz y la lente ($o$) y entre la lente y la imagen ($i$). Establezca estas longitudes en una relación (por ejemplo, trazándolas) y determine la distancia focal$f$de la lente de estos. La relación está dada por

  $$\frac{1}{o} + \frac{1}{i} = \frac{1}{f}$$ Experimenta con diferentes distancias, objetos y lentes. Obtenga más información aquí: Formación de imágenes por lentes y el ojo (hiperfísica)

• Explicar la óptica de onda básica mostrando la interferencia de un láser en un CD. Simplemente ilumine con un puntero láser un CD, de modo que la luz reflejada golpee una pantalla (por ejemplo, una pared). Observe la simetría de los máximos; medir la distancia entre ellos. Encuentre la distancia entre las ranuras en el CD a partir de la difracción de Bragg. (En realidad, esto podría ser una pieza difícil de matemáticas y física a esa edad, pero, sin embargo, bastante fascinante y no tan obvio como otros experimentos ópticos).

• Roba dos pares de anteojos 3D del cine y descubre la polarización . Utilice el sensor de brillo de su teléfono, un tubo de papel higiénico* y la película polarizadora de las gafas 3D para medir la intensidad transmitida a través de una capa del filtro. Agregue una segunda capa y mida la transmisión según el ángulo entre las dos películas. Trazarlo Nuevamente, podría ser útil trazar la intensidad contra el seno del ángulo. A partir de ahí, puede explicar la naturaleza ondulatoria de la luz, cómo tiene componentes eléctricos y magnéticos en ángulo recto entre sí. Puede mirar diferentes fuentes de luz para descubrir fuentes polarizadas (pantallas LCD, etc.). Combinándolo con el primer experimento podrías intentar encontrar el ángulo de Brewster. (*el rollo de papel higiénico mantiene la luz de fondo alejada del sensor)

Puedes construir una pistola de bobina con una batería, dos interruptores, un condensador y un inductor: un montón de alambre envuelto alrededor de una pajilla. Un interruptor carga la tapa, un interruptor descarga la tapa a través del inductor, y el cojinete de bolas/clavo/lo que sea que pongas dentro de la pajilla sale volando.

Esquema aquí:

https://ericlippert.com/2013/04/09/tabletop-coilgun/

Esto se presta a muchos posibles experimentos cuantitativos con respecto a la distancia que se lanza el proyectil:

• ¿Importa el número de vueltas?
• ¿Importa la dirección de las vueltas?
• ¿Importa la longitud del tubo?
• ¿Qué sucede si tiene varias baterías? ¿Deberían estar conectados en secuencia o en paralelo?
• ¿Qué pasa si tienes varias gorras? secuencia o paralelo?
• ¿Qué pasa si se cambia el ángulo de elevación del tubo? ¿Qué ángulo maximiza la distancia lanzada?

Recuerde que los capacitores cargados pueden ser peligrosos; aprender a descargarlos de forma segura. ¡Y use gafas de seguridad cuando lance rodamientos de bolas por la habitación!

Debería poder hacer bastante sobre la capacidad calorífica del agua usando solo un hervidor eléctrico y un termómetro digital barato. (Probablemente lo mejor sea una tetera de plástico barata, y un termómetro de 0-100 no uno clínico).

Llene un hervidor hasta la mitad con una cantidad medida de agua helada, mida la temperatura al inicio, encienda la electricidad durante unos diez segundos (cronometrados), apague, agite para mezclar el agua, espere un poco, agite de nuevo, mida la temperatura. Repita varias veces hasta que el agua esté demasiado caliente para manipularla con seguridad. Trazar gráfico.

En una aproximación bastante buena, la energía y el aumento de temperatura son proporcionales. Es mucho más difícil determinar hasta qué punto esto no es cierto, y si esto se debe a que el calor se filtra hacia adentro o hacia afuera a medida que el agua se calienta más que la temperatura ambiente, o si el agua misma cambia a medida que se calienta. Ambos son ciertos.

Estudio de errores experimentales. Repita con más agua fría. Cuán repetibles son sus observaciones. ¿Qué puede mejorarlos? ¿Con qué precisión puede un ser humano con un reloj cronometrar diez segundos de "encendido"? (Una vez leí en un libro, 0.2s - ¡BS! Soy músico. Hacer girar los dedos alrededor de diez notas por segundo es un gran desafío, pero es fácil escuchar si algo está fuera de ritmo por una décima de segundo, así que debería poder saber si los clics del interruptor son tempranos o tardíos en comparación con los tics del reloj, y si el objetivo es sigma de 0,05 s, ¿digresión u otro experimento casero?)

Entonces, es posible que pueda detectar los cambios en la capacidad calorífica del agua a diferentes temperaturas. IIRC alrededor de 0,75% de cambio entre 5C y 40C, más marcado en el extremo frío. Si puede comenzar con agua a 1C, es un cambio porcentual algo mayor. No es fácil de detectar con un aparato tan simple, pero tal vez sea posible.

Nota de seguridad obligatoria: supervise a su hijo (el agua caliente es peligrosa, pero explíquele el peligro y déjelo agitar las teteras frías o tibias que no pueden hacer más daño que la ropa y el piso mojados). Es importante saber cómo hacer experimentos de manera segura. Una vez estuve más cerca de suicidarme de lo que me gustaría recordar, ahora he asimilado la lección.)

Y deténgase si su hijo se está aburriendo.

Por cierto, no es difícil construir un calorímetro de líquido de flujo continuo en casa y precisar la capacidad calorífica variable del agua, pero eso probablemente sea demasiado complicado por ahora.