Regla magnética
Regla magnética
Medir la velocidad de un objeto móvil gracias a imanes colocados a intervalos regulares y al magnetómetro del smartphone.
¿Cómo medir la velocidad de un objeto en movimiento sin cámara ni cronómetro? El magnetómetro del smartphone ofrece una solución elegante: colocando imanes a intervalos regulares a lo largo del recorrido, el teléfono detecta cada imán al pasar y se puede calcular la velocidad media entre dos imanes. En esta actividad, vas a construir una "regla magnética" y utilizarla para estudiar el movimiento de diferentes objetos.
Descripción de la actividad:
El alumno coloca imanes a intervalos regulares a lo largo de un recorrido rectilíneo, luego fija su smartphone sobre un objeto móvil. Registrando el campo magnético con FizziQ, observa picos netos correspondientes al paso frente a cada imán y calcula la velocidad media entre cada par.
FizziQ
Autor:
Duración:
30 minutos
Lo que harán los estudiantes:
'- Medir un campo magnético con la ayuda del magnetómetro del smartphone
- Calcular una velocidad media a partir de medidas de distancia y tiempo
- Distinguir velocidad instantánea y velocidad media
- Trazar e interpretar un gráfico velocidad-tiempo
- Identificar las fuentes de error en un protocolo de medición
Conceptos científicos:
'- Campo magnético
- Decrecimiento del campo en 1/r³
- Velocidad instantánea y velocidad media
- Cinemática del movimiento rectilíneo
- Detección magnética
- Aceleración y deceleración
Sensores:
'- Magnetómetro
Material necesario:
'- Smartphone o tableta con FizziQ (o una aplicación equivalente como phyphox que permita la adquisición de datos del magnetómetro de un smartphone)
- Varios imanes de neodimio pequeños (5 a 10)
- Un carril o una superficie rectilínea (carril de tren de juguete, canalón)
- Un objeto móvil (tren de juguete, carro)
- Cinta métrica
- Cuaderno de experiencias FizziQ
Procedimiento experimental:
Choisis un parcours rectiligne : rail de train jouet, gouttière, rail de rideau, ou bord d'une table.
Place des aimants à intervalles réguliers le long du parcours (par exemple tous les 10 ou 20 cm). Utilise un mètre ruban pour les espacer précisément. Assure-toi que tous les aimants sont orientés dans le même sens (même pôle vers le haut).
Mesure et note la distance d entre deux aimants consécutifs.
Fixe ton smartphone sur l'objet mobile (train jouet, chariot). Le magnétomètre doit passer à proximité des aimants. Repère où se trouve le capteur magnétique dans ton téléphone (généralement près du bord supérieur).
Ouvre FizziQ et sélectionne l'instrument Magnétomètre. Idéalement, utilise le contrôle à distance depuis un second appareil.
Lance l'enregistrement alors que le smartphone est immobile au point de départ.
Mets l'objet en mouvement le long du rail. Le téléphone doit passer à la même distance de chaque aimant.
Arrête l'enregistrement à la fin du parcours, avant de retirer le téléphone.
Observe le graphique du champ magnétique en fonction du temps. Tu devrais voir des pics nets correspondant au passage devant chaque aimant.
À partir des intervalles de temps entre les pics et de la distance connue d, calcule la vitesse moyenne dans chaque intervalle : v = d/Δt. Trace le graphique vitesse-temps pour observer l'accélération ou la décélération.
Resultados esperados:
El gráfico del campo magnético muestra picos regulares correspondientes al paso frente a cada imán. Para un tren de juguete a velocidad constante, los intervalos entre los picos son iguales. Para un carro en aceleración sobre un plano inclinado, los intervalos disminuyen progresivamente.
Preguntas científicas:
'- ¿Cómo evoluciona la forma de los picos si se modifica la distancia entre el sensor y los imanes?
- ¿Por qué el decrecimiento en 1/r³ permite una mejor resolución temporal que un decrecimiento en 1/r²?
- ¿Cómo distinguir aceleración constante y velocidad constante en el gráfico del campo magnético?
- ¿Cuáles son las fuentes de error en este método de medición?
Explicaciones científicas:
El magnetómetro del smartphone es un sensor de campo magnético extremadamente sensible, capaz de detectar campos del orden del microtesla (µT). Funciona según el efecto Hall.
El campo magnético de un dipolo (pequeño imán) decrece en 1/r³. Este decrecimiento muy rápido significa que cada imán solo se detecta brevemente, dando picos estrechos. Para imanes de neodimio a 5-7 cm, el pico dura típicamente 0,1-0,2 s.
La velocidad media entre dos imanes se calcula por la relación v = d/Δt, où d est la distance entre les aimants et Δt l'intervalle de temps entre deux pics consécutifs. Cette méthode donne la vitesse locale en chaque intervalle, pas seulement la vitesse moyenne sur tout le parcours.
La precisión depende del espaciamiento de los imanes y de la frecuencia de muestreo del magnetómetro (generalmente 50-100 Hz).
Attention : les moteurs électriques (dans un train jouet) génèrent aussi un champ magnétique parasite. Il faut éloigner le téléphone du moteur pour minimiser cette interférence.
Actividades de ampliación:
'- Estudiar la aceleración de un carro sobre un plano inclinado y comparar con a = g sin θ
- Medir la deceleración de un objeto lanzado para determinar el coeficiente de rozamiento
- Estudiar la ley en 1/r³: fijar el imán y desplazar el teléfono a diferentes distancias para trazar B(r)
- Medir la velocidad de un tren de juguete en diferentes configuraciones de vías
Preguntas frecuentes:
Q: Algunos imanes no son detectados.
R: La distancia teléfono-imán es probablemente demasiado grande o los imanes demasiado débiles. Acerca el teléfono o utiliza imanes más potentes. Verifica que todos los imanes estén orientados en el mismo sentido.
Q: ¿El magnetómetro detecta señales parásitas?
R: Sí, los objetos metálicos y los dispositivos electrónicos cercanos pueden perturbar las mediciones. Aleja las fuentes de perturbación magnética.