Laboratorio virtual de caída libre: medir g con fotopuertas

Este laboratorio virtual de caída libre corresponde a la práctica obligatoria (required practical) de AQA A-level Physics que determina g por un método de caída libre. Los estudiantes sueltan una bola de acero desde un electroimán, cronometran su caída hasta una fotopuerta a seis alturas y toman tres lecturas en cada una. La pendiente de 2h frente a t̄² es g. La clase trabaja la media de repeticiones, una pendiente, la diferencia porcentual y el error aleatorio frente al sistemático. Todos los valores de abajo se leyeron en la simulación.

Relación con el currículo

• AQA A-level Physics (7408), práctica obligatoria 3: determinación de g por un método de caída libre.
• AP Physics 1, Unit 1 (Kinematics): movimiento con aceleración constante, analizado a partir de datos experimentales y gráficas.
• IB Diploma Physics, A.1 Kinematics: ecuaciones del movimiento uniformemente acelerado; linealizar datos para hallar una constante.

Simulic no está afiliado a AQA, al College Board ni al Bachillerato Internacional, ni cuenta con su respaldo.

Antes del laboratorio (5 min)

Pide a los estudiantes que se comprometan con una predicción, en papel o como pregunta 1 del enlace de clase:

"Una bola cae desde el reposo. Mueves la fotopuerta para que la bola caiga cuatro veces más distancia. ¿Cómo cambia el tiempo de caída?"

Muchos estudiantes responden "cuatro veces más".

Método en la simulación

1. La página se abre en Soltar dos objetos. Haz clic en la pestaña Laboratorio y deja g con fotopuertas.
2. Pon Altura de caída h en 0,20 m con el deslizador, o arrastra la fotopuerta en el dibujo. h va desde la parte inferior de la bola hasta el haz.
3. Pulsa Apagar electroimán: el cronómetro corre desde la liberación hasta que la bola interrumpe el haz. Espera a que la bola llegue al suelo; toma tres lecturas.
4. Repite con 0,40; 0,60; 0,80; 1,00 y 1,20 m. La tabla añade t̄, t̄² y 2h.
5. Como h = ½gt², 2h = g·t²: la pendiente de 2h frente a t̄² es g. Calcúlala con las filas de 0,20 m y 1,20 m y compárala con la recta de ajuste que aparece bajo la gráfica.
6. Diferencia porcentual = |g − 9,81| ÷ 9,81 × 100.

Las lecturas del cronómetro siguen una secuencia aleatoria fija: en una página recién abierta, o después de Borrar tabla, las mismas pulsaciones en el mismo orden dan las mismas lecturas.

h (m)	t₁ (s)	t₂ (s)	t₃ (s)	t̄ (s)	t̄² (s²)
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20

Resultados esperados

Nuestra ejecución, con las alturas en el orden de arriba en una página recién abierta:

h (m)	0,20	0,40	0,60	0,80	1,00	1,20
t̄ (s)	0,2033	0,2853	0,3507	0,4037	0,4510	0,4953
t̄² (s²)	0,0413	0,0814	0,1230	0,1629	0,2034	0,2454

Las tres lecturas a 0,80 m fueron 0,404; 0,404 y 0,403 s.

• Recta de ajuste: pendiente g = 9,82 m/s², ordenada en el origen −0,003 m, una diferencia del 0,1 % respecto a 9,81 m/s².
• Pendiente con dos puntos: (2,40 − 0,40) ÷ (0,2454 − 0,0413) = 9,80 m/s².
• Ley de la raíz cuadrada: cuatro veces la altura (de 0,20 a 0,80 m) solo duplica el tiempo (de 0,203 a 0,404 s).

Preguntas para los estudiantes

1. (Predicción, repetida después del laboratorio) ¿Cómo cambia el tiempo de caída cuando la altura de caída es cuatro veces mayor?
2. ¿Cuál es la variable independiente?
3. ¿Cuál es el tiempo medio de caída t̄ a h = 0,80 m?
4. Calcula la pendiente de 2h frente a t̄² con las filas de 0,20 m y 1,20 m.
5. Explica el error aleatorio de las lecturas, cómo lo reducen las repeticiones y la gráfica, y nombra un error sistemático que añade un electroimán real.

Respuestas para el docente: (1) Se duplica. (2) La altura de caída h. (3) Unos 0,404 s (acepta 0,398–0,410). (4) Unos 9,80 m/s² (acepta 9,50–10,10). (5) Las lecturas a una misma altura difieren en unos milisegundos: es un error aleatorio de cronometraje, que se reduce promediando las repeticiones y trazando una recta de ajuste por seis puntos. Un electroimán real suelta la bola un poco después de que arranque el cronómetro. Eso alarga todos los tiempos, y repetir no lo elimina.

Ideas erróneas frecuentes

• "Los objetos más pesados caen más rápido." En Soltar dos objetos, desmarca Resist. del aire: los objetos de 5 kg y 0,2 kg caen a la par, y la lectura da un único tiempo de caída, 3,03 s desde 45 m, para cualquier masa.
• "Una gráfica que no pasa por el origen está mal." Si cada h se midiera hasta la parte superior de la bola, cada 2h aumentaría en la misma cantidad. La recta se desplazaría hacia arriba, pero su pendiente, g, no cambiaría.

Ampliación

• Velocidad límite con filtros de café: elige Arrastre en filtros de café, pulsa Borrar tabla y después Soltar filtros y Registrar para n = 1, 2, 4 y 8. Nuestra ejecución dio velocidades límite de 1,11; 1,57; 2,21 y 3,08 m/s. Cuatro veces la masa solo duplica v_t, así que la fuerza de arrastre ∝ v². Elige la gráfica (Velocidad límite)² frente a m: la recta que pasa por el origen da c = 0,0090 kg/m.

Preguntas frecuentes

¿Por qué mis estudiantes obtienen tiempos ligeramente distintos?

Cada lectura del cronómetro tiene un error aleatorio de unos 2 ms tomado de una secuencia fija, así que otro orden de pulsaciones da valores algo distintos. Los intervalos de las preguntas 3 y 4 se cumplieron en las 20 000 ejecuciones del modelo que probamos, en las que la g de la recta de ajuste quedó entre 9,59 y 10,00 m/s².

¿Puedo dejar el laboratorio preparado para mis estudiantes?

Sí. En los valores iniciales del enlace de clase, pon Pantalla en Laboratorio y Experimento (pantalla Laboratorio) en Medir g con fotopuertas. Así la página se abre directamente en las fotopuertas.

¿Sustituye esto a la práctica obligatoria?

No. Los estudiantes de AQA deben hacerla igualmente a mano. Usa la simulación para ensayar el análisis. Consulta laboratorios virtuales vs. físicos.

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