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UNIVERSIDAD PRIVADA DE LA SELVA PERUANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
Escuela Profesional de Ingeniería de Computación y Sistemas
TESIS
Capacidades del empleo de Arduino sobre la operatividad del laboratorio del
curso de Física General. Iquitos 2020.
Tesis para obtener el Título Profesional de Ingeniero de Computación y Sistemas
Por:
Asesor:
Ing. Escobedo Guerra, Roger Alberto
Iquitos – Perú
2020
Bach. Centurión Wu Acuy, Carlos Sebastián Gabriel
ii
PAGINA DEL JURADO
____________________________
Ing. Juan Manuel Verme Insúa Mgr.
Presidente
_____________________________
Ing. Jimmy Max Ramírez Villacorta Mgr.
Secretario
_____________________________
Ing. Tonny Eduardo Bardales Lozano
Vocal
______________________________
Ing. Roger Alberto Escobedo Guerra Mgr
Asesor
iii
DEDICATORIA
A mis padres, Carlos y Diana, por su constante apoyo
moral y económico, por ayudarme a crecer y a
mejorar como persona.
A mi Amigo Luis, por su amistad y compañía, con
quien paso buenos momentos juntos.
Al docente Roger Alberto Escobedo Guerra, por su
forma de enseñar, de ser y su paciencia para con sus
estudiantes.
A mis docentes de la Universidad Privada de la Selva
Peruana, cada uno de ellos me aportó conocimiento
útil para mi vida universitaria y profesional.
A mis amigos que siempre están ahí para apoyarme
cuando lo necesito.
Sebastián
iv
AGRADECIMIENTOS
A mi familia, en especial a mi madre, que siempre
está para apoyarme cuando lo necesito, y a mi
padre, que, con sus lecciones de vida, me da
consejos para crecer como persona.
A la Universidad Privada de la Selva Peruana,
por ser mi alma máter y mi oportunidad de
ingresar al mundo laboral, preparándome con los
conocimientos necesarios para este mundo.
Sebastián
v
DECLARACIÓN JURADA DE AUTORÍA Y AUTORIZACION PARA
LA PUBLICACIÓN DE LA TESIS Y ARTÍCULO CIENTÍFICO*
Yo CARLOS SEBASTIÁN GABRIEL CENTURIÓN WU ACUY, bachiller de la Facultad
de Ingeniería de la Universidad Privada de la Selva Peruana, identificado(a) con DNI
71226939 con la tesis titulada: “Capacidades del empleo de Arduino sobre la operatividad
del laboratorio del curso de Física General. Iquitos 2020.”, declaro bajo juramento que:
La tesis y el artículo pertenece a mi autoría compartida con el coautor Roger Alberto
Escobedo Guerra:
1) La tesis y el artículo no han sido plagiados ni total ni parcialmente.
2) El artículo no ha sido autoplagiado; es decir, no ha sido publicada ni presentada
anteriormente para alguna revista.
3) De identificarse fraude (datos falsos), plagio (información sin citar a autores),
autoplagio (presentar como nuevo algún trabajo de investigación propio que ya ha sido
publicado), piratería (uso ilegal de información ajena) o falsificación (representar
falsamente las ideas de otros), asumo las consecuencias y sanciones que de mi acción
se deriven, sometiéndome a la normatividad vigente de la Universidad Privada de la
Selva.
Iquitos, 15 de agosto del 2020.
…………………………………………………………
CARLOS SEBASTIÁN GABRIEL CENTURIÓN WU ACUY
DNI N° 71226939 *Por decisión del tesista
4) Si, el artículo fuese aprobado para la publicación en la revista u otro documento de
difusión, cedo mis derechos patrimoniales y autorizo a la Facultad de Ingeniería de la
Universidad Privada de la Selva Peruana, la publicación y divulgación del documento
en las condiciones, procedimientos y medios que disponga la Universidad.
vi
Por el presente documento, la Tesista:
Bach. Ing. Sist. CARLOS SEBASTIÁN GABRIEL CENTURIÓN WU ACUY,
identificado con DNI N°: 71226939 y bachiller de la Escuela Profesional de Ingeniería de
Computación y Sistemas, quien ha elaborado la tesis denominada:
“Capacidades del empleo de Arduino sobre la operatividad del laboratorio del curso
de Física General. Iquitos 2020.”. Para optar el título profesional de Ingeniera en
Computación y Sistemas por la Universidad Privada de la Selva Peruana.
Declara bajo juramento que:
1. El presente estudio es de mi autoría y en el mismo no existe plagio de ninguna naturaleza,
en especial copia de otro trabajo de tesis o similar presentado por cualquier persona ante
cualquier Universidad.
2. He respetado las Normas Internacionales de Citas y Referencias para las fuentes
consultadas. Por lo tanto, la tesis no ha sido plagiada ni total ni parcialmente.
3. La tesis no ha sido autoplagiada; es decir, no ha sido publicada ni presentada
anteriormente para obtener algún grado académico previo o título profesional.
4. Los datos presentados en los resultados serán reales no serán falseados, ni duplicados ni
copiados y por tanto los resultados que se presenten en la tesis se constituirán en aportes
a la realidad investigativa.
5. En caso de incumplimiento de esta declaración, asumo las consecuencias y sanciones
que de mi acción se deriven, sometiéndonos a lo dispuesto en las normas académicas de
la Facultad y de la Universidad Privada de la Selva Peruana.
Iquitos, 15 de agosto del 2020.
…………………………………………………………
CARLOS SEBASTIÁN GABRIEL CENTURIÓN WU ACUY
DNI N° 71226939
DECLARACIÓN DE AUTENTICIDAD Y NO PLAGIO
vii
ÍNDICE PAGINA DEL JURADO ............................................................................................................................ II DEDICATORIA ........................................................................................................................................ III AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................................. IV DECLARACIÓN JURADA DE AUTORÍA Y AUTORIZACION PARA LA PUBLICACIÓN DE LA
TESIS Y ARTÍCULO CIENTÍFICO* ...................................................................................................... V DECLARACIÓN DE AUTENTICIDAD Y NO PLAGIO ....................................................................... VI RESUMEN ................................................................................................................................................. IX ABSTRACT ................................................................................................................................................ X CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 1
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................................................................ 1 1.1.1. Descripción de la realidad problemática .................................................................................... 1 1.1.2. Formulación de problema .......................................................................................................... 4
1.2. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN........................................................................................................ 5 1.3. JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................................... 5 1.4. VIABILIDAD ........................................................................................................................................ 6
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO ......................................................................................................... 7 2.1. ANTECEDENTES .................................................................................................................................. 7 2.2. BASES TEÓRICAS ................................................................................................................................. 9 2.3. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS .................................................................................................... 16 2.4. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES............................................................................................... 19
CAPÍTULO III: METODOLOGÍA.......................................................................................................... 20 3.1. TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACIÓN ....................................................................................................... 20 3.2. DISEÑO ............................................................................................................................................. 20 3.3. POBLACIÓN Y MUESTRA .................................................................................................................... 21 3.4. TÉCNICAS EN INSTRUMENTOS Y RECOLECCIÓN DE DATOS ................................................................. 21
3.4.1. Descripción de los Instrumentos ............................................................................................... 21 3.4.2. Validez de los Instrumentos ...................................................................................................... 22
3.5. TÉCNICAS PARA EL PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE LOS DATOS......................................................... 22 3.6. ASPECTOS ÉTICOS ............................................................................................................................. 22
CAPÍTULO IV: PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS ..................................... 23 4.1. RESULTADOS DEL PROCESAMIENTO DE DATOS. ................................................................................. 23
4.1.1. Aspectos demográficos. ............................................................................................................ 23 4.1.2. Adecuación con los contenidos del curso. ................................................................................. 26 4.1.3. Relevancia. ............................................................................................................................... 27 4.1.4. Complementariedad. ................................................................................................................ 27 4.1.5. Autonomía. ............................................................................................................................... 28 4.1.6. Facilidad de Implementación.................................................................................................... 29 4.1.7. Facilidad para la toma de datos. .............................................................................................. 30 4.1.8. Facilidad para el procesamiento de los datos. .......................................................................... 30 4.1.9. Visualización de los resultados. ................................................................................................ 31 4.1.10.Capacidades del empleo de Arduino. ........................................................................................ 32
4.2. DISCUSIÓN. ....................................................................................................................................... 32 CAPÍTULO V: CONCLUSIONES ........................................................................................................... 35 CAPÍTULO VI: RECOMENDACIONES ................................................................................................ 36 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................................................... 37 ANEXOS .................................................................................................................................................... 39
ANEXO 01: MATRIZ DE CONSISTENCIA ..................................................................................................... 40 ANEXO 02: INSTRUMENTO CUESTIONARIO DE EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE EMPLEO DE ARDUINO EN
LABORATORIO DE FÍSICA ......................................................................................................................... 41 ANEXO 03: PLANTILLA PARA LA EVALUACIÓN DEL INSTRUMENTO – JUICIO DE EXPERTO ........................... 43 ANEXO 04: ESQUEMA DEL CIRCUITO ARDUINO ......................................................................................... 47 ANEXO 05: CÓDIGO MEDIR PERIODO DEL PÉNDULO ................................................................................... 48 ANEXO 07: PRÁCTICA DE FÍSICA .............................................................................................................. 52 ANEXO 08: ARTÍCULO CIENTÍFICO ........................................................................................................... 57
viii
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1: RELACIÓN DE ENCUESTADOS ........................................................................................................ 21 TABLA 2: COMPOSICIÓN DE LA POBLACIÓN POR SEXO .................................................................................. 23 TABLA 3: COMPOSICIÓN DE LA POBLACIÓN POR EDAD .................................................................................. 24 TABLA 4: COMPOSICIÓN DE LA POBLACIÓN POR GRADO DE INSTRUCCIÓN ..................................................... 24 TABLA 5: EXPERIENCIA EN EL DICTADO DEL CURSO ..................................................................................... 25 TABLA 6: USO DE LAS TIC EN EL AULA ........................................................................................................ 26 TABLA 7: ADECUACIÓN CON LOS CONTENIDOS DEL CURSO ............................................................................ 26 TABLA 8: RELEVANCIA ................................................................................................................................ 27 TABLA 9: COMPLEMENTARIEDAD ................................................................................................................. 28 TABLA 10: AUTONOMÍA ............................................................................................................................... 28 TABLA 11: FACILIDAD DE IMPLEMENTACIÓN ................................................................................................ 29 TABLA 12: FACILIDAD PARA LA TOMA DE DATOS .......................................................................................... 30 TABLA 13: FACILIDAD PARA EL PROCESAMIENTO DE LOS DATOS ................................................................... 31 TABLA 14: FACILIDAD PARA LA VISUALIZACIÓN DE LOS RESULTADOS .......................................................... 31 TABLA 15: TABLA RESUMEN ........................................................................................................................ 33
INDICE DE ILUSTRACIONES
ILUSTRACIÓN 1 TARJETA ARDUINO (ARDUINO, 2020) ................................................................................... 10 ILUSTRACIÓN 2 ENTORNO IDE ARDUINO (ARDUINO, 2020) .......................................................................... 11 ILUSTRACIÓN 3 SENSORES LED INFRARROJO RECEPTOR-EMISOR (CDMX ELECTRÓNICA, 2020) ............. 11 ILUSTRACIÓN 4 VENTANA COMPLEMENTO PLX-DAQ (PARALLAX DAQ, 2020) ........................................... 13 ILUSTRACIÓN 5 ESQUEMA DEL PÉNDULO SIMPLE (SEARS, ZEMANSKY, YOUNG, & FREEDMAN, 2001) ............ 14
ix
RESUMEN
Se tuvo como objetivo realizar un circuito utilizando la tarjeta arduino para
automatizar las medidas de un experimento del Curso de Física General que se dicta
en la Universidad Peruana de la Selva Peruana. Para la captura de datos se empleó el
complemento de Excel PLX-DAQ y se procesó los datos en la tarjeta y se presentaron
en la hoja de cálculo con su respectiva gráfica. Se elaboró una Práctica de
Laboratorio del Curso de Física General con el experimento de determinación de la
aceleración de la gravedad g de forma indirecta a través de la medición del periodo
de un péndulo simple. Se diseñó una encuesta que se aplicó a siete docentes del curso
de Física General o similares dictados a nivel universitario. Se obtuvo como resultado
que los docentes consideraron que las prácticas con el dispositivo de medición son
adecuadas para su empleo en la enseñanza de lo relativo al Péndulo Simple aunque
puede ser mejoradas.
PALABRAS CLAVES: Arduino, practica de física general, automatización, toma de
dato.
x
ABSTRACT
The objective was to make a circuit using the arduino card to automate the
measurements of an experiment of the General Physics Course that is taught at the
Peruvian University of the Peruvian Jungle. For data capture, the PLX-DAQ Excel
add-in was used and the data was processed on the card and presented in the
spreadsheet with its respective graph. A Laboratory Practice of the General Physics
Course was developed with the experiment to determine the acceleration of gravity
g indirectly through the measurement of the period of a simple pendulum. A survey
was designed and applied to seven teachers of the General Physics course or similar
dictated at the university level. It was obtained as a result that the teachers considered
that the practices with the measuring device are adequate for their use in the teaching
of the Simple Pendulum, although it can be improved.
KEY WORDS: Arduino, general physics practice, automation, data collection
1
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN
1.1. Planteamiento del Problema
Siempre ha sido una necesidad en los cursos de Física trasladar los conocimientos
teóricos adquiridos en el salón de clase a la práctica. Los cursos de Física siempre se
conciben como una oportunidad para que el alumno tome conciencia del
modelamiento matemático de la realidad que existe detrás de las fórmulas, con el
agregado que las prácticas de laboratorio se constituyen como el inicio de la
aplicación de las mediciones estadísticas, el error de las mediciones y el inicio del
empleo del método científico. (Lesteiro-Tejeda, Hernández-Delfin, & Batista-Leyva,
2017). Estos retos de enseñanza a menudo se ven limitados por la carencia de equipos
adecuados o el tiempo limitado disponible para el laboratorio. Este trabajo presenta
una alternativa que puede ser una solución práctica a os problemas descritos.
1.1.1. Descripción de la realidad problemática
El laboratorio de Física General es un lugar dotado de los medios necesarios
para realizar experimentos, prácticas y trabajos de carácter científico; está equipado
con instrumentos de medida o equipos con los que se
realizan experimentos, investigaciones y prácticas diversas del curso de Física
General.
La importancia de contar con un laboratorio de Física General deriva del hecho de
que las condiciones ambientales están controladas y normalizadas, de esta manera
(Lesteiro-Tejeda, Hernández-Delfin, & Batista-Leyva, 2017).
1. Se puede asegurar que no se producen influencias extrañas (a las conocidas o
previstas) que alteren el resultado del experimento o medición: control.
2
2. Se garantiza que el experimento o medición es repetible, es decir, cualquier
otro laboratorio podría repetir el proceso y obtener el mismo
resultado: normalización.
Tradicionalmente, los laboratorios de Física se diseñan en base a los requerimientos
de los planes de estudio y su objetivo es brindar experiencias de aprendizaje, es decir,
permiten que los estudiantes descubran y midan los fenómenos que de otro modo se
quedarían en lo teórico.
Un problema común en los laboratorios se relaciona con los instrumentos, que a
menudo son limitados en número y no pueden ser utilizados al mismo tiempo por
cada estudiante. La mayoría de las veces el docente utiliza el equipo disponible para
mostrar algún efecto a los alumnos que observa cual fuera un museo sin participar.
Esto ocurre porque para hacer física se requiere de un laboratorio equipado con
muchos instrumentos caros y complicados, no siempre accesibles a las economías de
las instituciones educativas. (Lesteiro-Tejeda, Hernández-Delfin, & Batista-Leyva,
2017)
Durante el desarrollo de los experimentos del Laboratorio del Curso de Física
General se realizan configuraciones de equipos y se desarrollan estrategias de
medición para variables como tiempo, masa, velocidad, peso, color, temperatura y
demás variables. Todas ellas son de importancia para determinar las tendencias de
los fenómenos físicos estudiados.
Las configuraciones experimentales pueden variar desde muy baja tecnología (un
cronómetro para medir la caída de un objeto) hasta la alta tecnología (configuración
de laboratorio de investigación), pero un parámetro clave para un aprendizaje exitoso
es la participación de los estudiantes.
3
En los laboratorios de física existe la necesidad de realizar mediciones directas e
indirectas de todo tipo de magnitud física, como requisito previo para analizar los
fenómenos y aplicar el método científico, que sería el fin supremo del laboratorio.
(Lesteiro-Tejeda, Hernández-Delfin, & Batista-Leyva, 2017)
Este proceso de recolección de los datos, su análisis y comprobación de hipótesis se
ve limitado por el tiempo que toma configurar el equipo y establecer y realizar las
medidas de las variables a estudiar. Para configurar los equipos de laboratorio se
requiere un tiempo y supervisión docente, tomando muchas veces un tiempo de clase
excesivo, provocando que los experimentos no se culminen o se lleven a cabo sin
rigurosidad por lo limitado del tiempo. Para superar estos inconvenientes de costo y
complejidad existen equipos de laboratorio comerciales que incluyen la toma de
datos mediante sensores y microcontroladores, pero cuyo costo imposibilita
adquirirlos en la cantidad requerida. (Bouquet, Bobroff, Fuchs-Gallezot , &
Maurines, 2016).
Recientemente, el uso de microcontroladores se ha simplificado mucho con el
desarrollo del famoso microcontrolador Arduino. Este microcontrolador de código
abierto es ampliamente utilizado como una tarjeta de adquisición de datos de bajo
costo. Es así que sea común que los laboratorios de física hayan sido repensados
usando esta tecnología. El uso de Aduino permite a los estudiantes construir
configuraciones de bajo costo, como un sistema que facilita el registro y
comunicación de datos con otros elementos como la computadora o el teléfono
inteligente. (Lesteiro-Tejeda, Hernández-Delfin, & Batista-Leyva, 2017) (Bouquet,
Bobroff, Fuchs-Gallezot , & Maurines, 2016).
4
1.1.2. Formulación de problema
Problema General
¿Cuáles son los beneficios potenciales de emplear arduino en la
ejecución de los experimentos del Laboratorio de Física General?
Problemas Específicos
¿Cuál es la adecuación del Aplicativo en los experimentos del
Laboratorio de Física?
¿Cuál es la relevancia del Aplicativo en los experimentos del
Laboratorio de Física?
¿Cuál es la complementariedad del Aplicativo en los experimentos del
Laboratorio de Física?
¿Cuál es la autonomía del Aplicativo en los experimentos del
Laboratorio de Física?
¿Cuál es la facilidad de conexión del Aplicativo en los experimentos
del Laboratorio de Física?
¿Cuál es la facilidad de toma de datos del Aplicativo en los
experimentos del Laboratorio de Física?
¿Cuál es la facilidad del procesamiento de datos del Aplicativo en los
experimentos del Laboratorio de Física?
¿Cuál es la visualización del Aplicativo en los experimentos del
Laboratorio de Física?
5
1.2. Objetivos de la investigación
Objetivo general
Determinar los beneficios potenciales de emplear arduino en la
ejecución de los experimentos del Laboratorio de Física General.
Objetivos específicos
Determinar la adecuación del Aplicativo en los experimentos de Física.
Determinar la relevancia del Aplicativo en los experimentos de Física.
Determinar la complementariedad la integración del Aplicativo en los
experimentos de Física.
Determinar la autonomía del Aplicativo en los experimentos de Física.
Determinar la facilidad de conexión del Aplicativo en los experimentos
de Física.
Determinar la facilidad para la toma de datos en los experimentos de
Física.
Determinar la facilidad para el procesamiento de los datos en los
experimentos de Física.
Determinar la integración del Aplicativo en los experimentos de Física.
1.3. Justificación
La automatización de los experimentos del laboratorio de física empleando
Arduino configura una gran oportunidad que implica no solo un gran avance en
términos de calidad en la obtención y proceso de los datos, sino también provee un
grado de innovación al desarrollo de la clase y permite presentar los temas a través
de nuevas tecnologías. Con esto se busca que en el Laboratorio de Física General se
brinde a los estudiantes un fácil desarrollo de las prácticas y temarios.
6
1.4. Viabilidad
Este proyecto de investigación es viable, debido que a pesar de la situación
actual del aislamiento social se cuenta con los conocimientos técnicos en el manejo
de Arduino y acceso a los experimentos del Laboratorio de Física. Se tiene el apoyo
de los profesores del curso de Física General, con disposición a completar los
formularios y encuestas relacionados a la investigación. Este trabajo es
autofinanciado. Se planea ejecutar este proyecto en el segundo trimestre del año
2020.
7
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes
Lesteiro-Tejada y otros (2017) tuvieron como objetivo desarrollar cinco
experimentos de Física apoyando la toma y procesamiento de la data en Arduino.
Desarrollaron. Las prácticas son: estudio de la caída libre (Mecánica), carga –
descarga de un condensador (Electromagnetismo), estudio de la luz polarizada
(Óptica), medición y control de magnitudes físicas (practica conclusiva). La
mecánica que siguen estas prácticas es la siguiente: se conecta a la tarjeta Arduino
un sensor adecuado para medir la magnitud física de interés, se registra la salida
de voltaje y se carga un programa que supervisa las partes y almacena la
información. Se concluye que las técnicas de automatización de experimentos
con micro-controladores aportan a la enseñanza de la física experimental varios
elementos que la hacen recomendable: programación de microcontroladores, la
automatización del registro de la data y el permitir al alumno familiarizarse con
una tecnología novedosa, cada vez más utilizada en la ciencia y la técnica. Todo
esto agrega nuevas competencias profesionales del graduado.
Bouquet, Bobroff, Fuchs-Gallezot , & Maurines, (2016) desarrollaron un
proyecto orientado hacia la implementación simple de laboratorios de estudiantes
de física elaborando un marco práctico para dichos laboratorios. Se demostró que,
dentro de este marco, los estudiantes pueden realizar estudios pertinentes de
fenómenos físicos a nivel de currículos universitarios de tercer año incluso con
este equipamiento de bajo costo. Mediante encuestas sobre las percepciones de
estudiantes y maestros determinaron que los estudiantes se sintieron
comprometidos con sus proyectos, descubrieron la física experimental y
apreciaron esta intensa semana de laboratorio. La mayoría de los estudiantes
8
mencionaron mejores métodos experimentales como contribución a su formación
científica. A pesar de que no se realizó una evaluación cuantitativa de las mejoras
de conocimientos y habilidades de los estudiantes durante estos laboratorios,
nuestro estudio sugiere que el conocimiento adquirido por los estudiantes es
menos conceptual que en un laboratorio tradicional de estudiantes y más centrado
en habilidades blandas, como la autonomía y trabajo en equipo.
Ferrini & Aveleyra (2009) A través del diseño e implementación de una
estrategia didáctica para el modelo del “Péndulo Simple o Ideal”, se estudia cómo
los estudiantes desarrollaron competencias para la interpretación y explicación
de fenómenos físicos. La propuesta de trabajo incluye el recurso informático que,
a través de un programa el Science Workshop, permite la adquisición y
representación de datos obtenidos con un sensor de fuerza y la informática como
recurso, a través de una hoja de cálculo y de diversas herramientas
proporcionadas por una plataforma de e-learning. Los primeros resultados
muestran cómo los estudiantes estiman posibles resultados, contrastando el
modelo teórico y el experimental, y trabajando en forma colaborativa con otros
estudiantes y docentes.
Londoño Ramírez (2018). Diseñó e implementó una plataforma integrada por
un sistema de gestión de aprendizaje configurado en una tarjeta Raspberry Pi, un
módulo de adquisición de datos conformado por una tarjeta Arduino y un
elemento de interacción con el usuario representado en un dispositivo móvil. El
sistema fue concebido como una herramienta para la enseñanza de las ciencias
naturales y se implementó con un estudio de caso en el área Física.
Menéndez Villa, y otros, (1992), exponen los criterios aplicados para la
realización de prácticas automatizadas en el laboratorio docente de Física
9
General que constituyen un medio de adiestramiento adecuado para el estudiante
en el uso de técnicas avanzadas de adquisición y procesamiento de información
en tiempo real. Se pudo determinar tres ventajas en su empleo; permite que el
procesamiento de datos se realice en el laboratorio, por lo que el profesor puede
interactuar con el alumno mediante preguntas u orientaciones y la discusión de
los resultados puede realizarse inmediatamente, segundo, reduce la diversidad de
equipamiento en el laboratorio ya que la microcomputadora asume las funciones
de los instrumentos de medición, y tercero, provoca una mayor motivación de los
estudiantes (tanto por la novedad como por la supresión de tareas monótonas) y
su familiarización con técnicas que forman parte de muchos sistemas o
dispositivos modernos de medición y control.
2.2.Bases teóricas
Arduino.
Arduino (Figura 1) surgió como proyecto educativo en año 2005 y en la actualidad es
la tecnología líder en el mundo DIY (Do It Yourself) [4]. Esta plataforma de desarrollo
se basa en el micro-controlador Atmel AVR [7] e incorpora CPU, puerto serial para
intercambio de datos, memoria, pines que permiten ser configurados como entrada y
salida digitales y de entrada analógicos. Los microprocesadores más usados, todos de
8 bits, son ATmega168, ATmega328, ATmega1280, ATmega8 pues estos son simples,
de bajo costo y permiten el desarrollo de una gran variedad de diseños. (Lesteiro-
Tejeda, Hernández-Delfin, & Batista-Leyva, 2017)
10
Ilustración 1 Tarjeta Arduino (Arduino, 2020)
Arduino IDE
Es un entorno de desarrollo integrado en el que se escribe el código que se cargará en
el micro controlador. Tiene incorporado opciones de ayuda y ejemplos que facilitan la
programación. Entre otras herramientas cuenta con un monitor serial, por la cual
podemos enviar instrucciones al µc y recibir los datos mientras se ejecuta el programa.
Este software se puede obtener gratuitamente y para varios sistemas operativos en la
página oficial de Arduino . Arduino C es el lenguaje de programación en el que se
escriben los códigos. Es una variante de C, con funciones y librerías especiales para el
trabajo con los microcontroladores. (Lesteiro-Tejeda, Hernández-Delfin, & Batista-
Leyva, 2017),
El código desarrollado para la medición del péndulo simple se muestra en el anexo 03.
11
Ilustración 2 Entorno IDE Arduino (Arduino, 2020)
Sensores.
Para Arduino se pueden adquirir sensores y actuadores compatibles cubriendo una
gama muy amplia de mediciones apropiadas para la mayoría de experimentos de
Física. (Lesteiro-Tejeda, Hernández-Delfin, & Batista-Leyva, 2017).
Ilustración 3 Sensores LED Infrarrojo Receptor-Emisor
(CDMX ELECTRÓNICA, 2020)
12
En este trabajo se empleó sensores de tipo LED infrarrojos emisor y receptor. Un LED
infrarojo (LED IR) es un componente eléctrico semiconductor (diodo) que es capaz
de emitir luz al ser atravesado por una corriente pequeña. Las siglas Este led IR emite
una luz en el espectro infrarrojo, la cual no puede ser registrada por el ojo humano. La
luz emitida es recibida por un fotodiodo, que es un semiconductor de unión PN,
sensible a la incidencia de la luz infrarroja. Para que su correcto funcionamiento se
polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente
cuando sea excitado por la luz.
Si se aplica una tensión adecuada a las terminales del Led IR, este emitirá una luz
infrarroja, la cual puede ser detectada por el fotodiodo, este lo llevara al estado de
circulación de corriente-voltaje, y así usar el flujo de corriente y variación de voltaje
de varias maneras, las más comunes son, la detección de movimiento o aproximación
de un objeto externo, o de obstruir la luz infrarroja que recibe el fotodiodo, esto puede
ser traducido en información para determinados procesos. (CDMX ELECTRÓNICA,
2020).
PLX-DAQ
Es una herramienta complementaria de adquisición de datos de microcontroladores
Parallax para Microsoft Excel (Parallax DAQ, 2020). Cualquier microcontrolador
conectado a cualquier sensor y el puerto serie de una PC ahora pueden enviar datos
directamente a Excel. PLX-DAQ tiene las siguientes características:
a) Grafica datos a medida que llegan en tiempo real utilizando Microsoft Excel
b) Registra hasta 26 columnas de datos
c) Registre los datos con tiempo real (hh: mm: ss) o segundos desde el reinicio
d) Leer y/o escribir cualquier celda en una hoja de trabajo
13
e) Leer y/o configurar cualquiera de las 4 casillas de verificación para controlar
la interfaz
f) Velocidades en baudios de hasta 128 K
g) Soporta Com1-15
Ilustración 4 Ventana complemento PLX-DAQ
(Parallax DAQ, 2020)
En el caso del presente trabajo Arduino recibe la data de los sensores y toma 10
medidas del periodo, enviando los datos hacia el puerto COM de la tarjeta, lo que
permite su proceso por Arduino enviándolos mediante el cable USB a la laptop, donde
el programa PLX –DATA, que es un complemento de Excel. Este complemento
permite conectar los puertos de Arduino y recibir información mediante el puerto
serial.
Practica de Laboratorio de Física.
Conjunto de instrucciones acompañada de los materiales de laboratorios para
completar un experimento relacionado con los contenidos del Curso de Física General.
Las prácticas se desarrollan en condiciones controladas en un contexto social de
experiencia compartida, y su finalidad es que el estudiante demuestre su habilidad de
aplicar la teoría, se encuentre en nuevas situaciones problemáticas y estimule la
14
expresión o comunicación. (Aristizábal, y otros, 2013) (Khaparde, 2010). En el Anexo
2 se muestra la Práctica de Física empleada en el presente trabajo.
Fundamentos del Péndulo Simple.
El péndulo simple se define en Física como un punto material (de masa m) suspendido
de un hilo (de longitud l y masa despreciable) en el campo de gravedad de la Tierra.
Cuando hacemos oscilar la masa, desplazándola de modo que el hilo forme un ángulo
muy pequeño con la vertical, describe aproximadamente un movimiento armónico
simple (Alonso & Finn, 1999) (Sears, Zemansky, Young, & Freedman, 2001). En
efecto (véase la Fig. 1), al soltar la masa en reposo desde la posición A, la fuerza que
actuará sobre ella será la componente tangencial del peso:
F = −mg sen θ (1)
Ahora bien, para ángulos muy pequeños, podemos hacer las aproximaciones:
sen θ ≅ θ (θ en radianes) (2)
s = θ·l ≅ x (véase la Fig. 1) (3)
Ilustración 5 Esquema del péndulo simple
(Sears, Zemansky, Young, & Freedman, 2001)
15
Sustituyendo (2) y (3) en (1) se tiene:
𝐹 = −𝑚𝑔
𝑙 𝑥 = −𝑘. 𝑥 (4)
Es decir, la fuerza es proporcional y de signo contrario al desplazamiento, siendo la
constante:
𝑘 = 𝑚𝑔
𝑙 (5)
Este tipo de fuerza recuperadora es la que caracteriza al movimiento armónico simple,
en el que la frecuencia de oscilación ω viene dada por la relación
𝜔2 = 𝑘
𝑚 → 𝑇 =
2𝜋
𝜔= 2𝜋√
𝑚
𝑘 (6)
siendo T el periodo de oscilación. Sustituyendo (5) en (6), obtenemos la expresión para
el periodo de las oscilaciones del péndulo simple:
𝑇 = 2𝜋 √𝑙
𝑔 (7)
A partir de esta expresión se puede determinar el valor de g si se miden l y T
experimentalmente.
𝑔 =4𝜋2
𝑇2 𝑙 (8)
La práctica completa se muestra en el Anexo 02.
Automatización con Arduino del Laboratorio de Física General
Implica el manejo adecuado del laboratorio de Física mediante el empleo de
herramientas informáticas y electrónicas que permiten facilitar el desarrollo de
experimentos de física general y la recolección de resultados, apoyando el aprendizaje
de conceptos fundamentales de Física General con la exploración del proceso de
16
investigación de física experimental. (Ferrini & Aveleyra, 2009) (Aristizábal, y otros,
2013).
Esta variable se estudió en base a las siguientes dimensiones:
Adecuación con los contenidos del curso. Grado en que los experimentos se
adecúan a los contenidos del curso
Relevancia. Representaciones resultantes de su manipulación, que
complementen o clarifiquen los datos e información sobre el tema
Complementariedad. Integración a las actividades y otros recursos,
relacionados con las experiencias, propuestas por el docente.
Autonomía. Permite la autorregulación del tiempo del alumno, promoviendo
que cada estudiante pueda repetir la experiencia las veces que sea necesario.
Facilidad de Implementación Grado de simplicidad para implementar y
ejecutar los experimentos
Facilidad para la toma de datos Grado de simplicidad para medir y recolectar
la data
Facilidad para el procesamiento de los datos. Simplicidad para efectuar el
proceso de los datos
Visualización de los resultados: Simplicidad con que se muestran los resultados
de forma gráfica
2.3.Definición de términos básicos
El siguiente glosario se ha obtenido del Diccionario en línea de Física. (Diccionario de
Física, 2020).
ACELERACIÓN DE LA GRAVEDAD: Aceleración que experimenta un
cuerpo cuando cae libremente debido a la acción de la gravedad.
17
ÁNGULO: Porción de plano determinada por dos semirrectas con origen común,
denominado vértice del ángulo.
CENTRO DE GRAVEDAD: En Física, punto de aplicación del peso de un
cuerpo, o lo que es lo mismo, de la resultante de las fuerzas elementales con que
la gravedad actúa sobre todos y cada uno de sus átomos y moléculas.
DIMENSIÓN: En Física, cada una de las magnitudes de un conjunto que sirven
para definir un fenómeno.
ECUACIÓN: En Física, igualdad entre los resultados de efectuar ciertas
operaciones matemáticas con las medidas de las magnitudes que intervienen en
un fenómeno físico.
ECUACIÓN ALGEBRAICA: Una ecuación no es sino la traducción al lenguaje
algebraico de problemas físicos, químicos o tecnológicos, cuyas incógnitas son
las cantidades que deben hallarse para su resolución. Para resolverla se iguala a
cero el polinomio que representa la ecuación y se resuelve mediante la fórmula
establecida para cada caso.
ECUACIÓN DIMENSIONAL: Aquella que indica la relación existente entre
una magnitud física cualquiera y las magnitudes fundamentales, es decir, la
masa, la longitud, el tiempo y la carga eléctrica.
ERROR: En Física y Matemáticas, diferencia entre el valor medido o calculado
y el real.
FRECUENCIA: Magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de
tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico.
FRICCIÓN: Resistencia al desplazamiento de un cuerpo que se halla en contacto
permanente con otro.
FUERZA CENTRÍFUGA: Fuerza de inercia que se manifiesta en todo cuerpo
hacia fuera cuando se le obliga a describir una trayectoria curva.
MASA: Magnitud física que expresa la cantidad de materia que contiene un
cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo (kg).
OSCILACIÓN: En Física, Química e Ingeniería, movimiento repetido de un
lado a otro en torno a una posición central, o posición de equilibrio.
PÉNDULO: Cuerpo indeformable móvil suspendido desde un punto fijo que,
separado de su posición de equilibrio, oscila por la acción de la gravedad y de la
inercia.
18
PERIÓDICO: En Física, Dicho de un fenómeno cuyas fases se repiten con
regularidad.
PERÍODO: Tiempo que tarda un fenómeno en recorrer todas sus fases.
PESO: Fuerza con que la Tierra atrae a un cuerpo. Fuerza de gravitación
universal que ejerce un cuerpo celeste sobre una masa.
REPOSO: En Física, inmovilidad de un cuerpo respecto de un sistema de
referencia.
TIEMPO: Magnitud física con la que medimos la duración o separación de
acontecimientos sujetos a cambio, de los sistemas sujetos a observación.
TRAYECTORIA: Lugar geométrico de las sucesivas posiciones que un móvil
va ocupando en el espacio.
VELOCIDAD: Magnitud física de carácter vectorial que expresa el
desplazamiento de un objeto por unidad de tiempo. Cociente constante que se
obtiene al dividir un espacio cualquiera por el tiempo correspondiente.
19
2.4.Operacionalización de Variables
Variable Definición conceptual Definición operacional Dimensiones Indicadores Instrumento CAPACIDADES
DE EMPLEO.
Grado de utilidad de una
aplicación para ser
empleada en los
experimentos del
Laboratorio de Física
General, capturando y
procesando los datos
Respuesta obtenido de la
aplicación del
Cuestionario de
evaluación de la
operatividad del
laboratorio del curso de
Física General validado
por juicio de expertos .
Adecuación con los contenidos del curso Grado en que los experimentos se adecúan
a los contenidos del curso
Item 1 del
Cuestionario
0 a 4 puntos
Cuestionario de evaluación de
la operatividad del laboratorio
del curso de Física General.
La tabla de juicio de valor es la
siguiente:
0 a 16 puntos Deficiente
Más de 16 hasta 22 Aceptable
Más de 22 hasta 28 Bueno
Más de 28 Excelente
Deficiente: Necesita rediseñar
la práctica de física y replantear
su contenido.
Aceptable: Cumple con los
objetivos aunque la práctica
debe ser mejorada.
Bueno: Se puede emplear en el
laboratorio tal como está, pero
puede ser mejorada.
Excelente: Se puede emplear
de forma segura en el
laboratorio
Relevancia. Representaciones resultantes
de su manipulación, que complementen o
clarifiquen los datos e información sobre
el tema
Item 2 del
Cuestionario
0 a 4 puntos
Complementariedad. Integración a las
actividades y otros recursos, relacionados
con las experiencias, propuestas por el
docente.
Item 3 del
Cuestionario
0 a 4 puntos
Autonomía. Permite la autorregulación
del tiempo del alumno, promoviendo que
cada estudiante pueda repetir la
experiencia las veces que sea necesario.
Item 4 vdel
Cuestionario
0 a 4 puntos
Facilidad de Implementación Grado de
simplicidad para implementar y ejecutar
los experimentos
Item 5 del
Cuestionario
0 a 4 puntos
Facilidad para la toma de datos Grado
de simplicidad para medir y recolectar la
data
Item 6 del
Cuestionario
0 a 4 puntos
Facilidad para el procesamiento de los
datos
Simplicidad para efectuar el proceso de los
datos
Item 7 del
Cuestionario
0 a 4 puntos
Visualización de los resultados:
Simplicidad con que se muestran los
resultados de forma gráfica
Item 8 del
Cuestionario
0 a 4 puntos
20
CAPÍTULO III: METODOLOGÍA
3.1.Tipo y nivel de investigación
Investigación es de tipo descriptiva. Con los estudios descriptivos se buscó
especificar las propiedades, las características y los perfiles de personas,
grupos, comunidades, procesos, objetos o cualquier otro fenómeno que se
someta a un análisis. Es decir, únicamente pretenden medir o recoger
información de manera independiente o conjunta sobre los conceptos o las
variables a las que se refieren. Los estudios descriptivos son útiles para mostrar
con precisión los ángulos o dimensiones de un fenómeno, suceso, comunidad,
contexto o situación.
3.2.Diseño
El diseño de la investigación es no experimental, de tipo transversal
descriptivo.
El esquema es de estudio de caso con una medición. Solo se pretende describir
los efectos de la implementación del experimento con arduino para la medición
del experimento del Péndulo Simple en el Laboratorio de Física General. El
esquema corresponde a:
M - O
Dónde:
M: Muestra con quien(es) vamos a realizar el estudio.
O: Información (observaciones) relevante o de interés que recogemos de
la muestra.
21
3.3.Población y muestra
Se trabajó con siete docentes que enseñan el curso de Física General a
nivel Universitario. Se presenta a continuación la lista:
Tabla 1: Relación de Encuestados DOCENTE UNIVERSIDAD
RICHARD LÓPEZ ALBIÑO UNAP UCP
SEGUNDO RODRIGUEZ UNAP
LEINOTO MACEDO UNAP
HARVEY PINEDO UNAP
ARTURO SECLEN UNAP
PERLITA RIOS DEL AGUILA UPS
FERNANDO SALAS BARRERA UNAP
3.4.Técnicas en Instrumentos y Recolección de Datos
La recolección de los datos necesarios para el estudio se llevará a cabo
mediante el uso de la encuesta, aplicando un cuestionario, con el fin de indagar
la opinión al respecto de la operatividad del laboratorio del curso de Física
General.
3.4.1. Descripción de los Instrumentos
Para las dimensiones de satisfacción del usuario, tiempo (tiempo de respuesta
del sistema) y alumnos notificados, la técnica de recolección de datos que
mejor se ajustó a los requerimientos de la presente tesis, fue de campo, que
se basó en el instrumento Cuestionario de evaluación de la operatividad del
laboratorio del curso de Física General, mostrado en el anexo 03, el cual fue
aplicado a la muestra a 7 docentes.
22
Con 8 ítems utilizando una escala de Likert. Cada Item tiene un valor máximo
de 4 puntos.
Totalmente de acuerdo 4 puntos
De acuerdo 3 puntos
Indiferente 2 puntos
En desacuerdo 1 punto.
Totalmente en desacuerdo 0 puntos.
Con un total de 32 puntos en el cuestionario.
3.4.2. Validez de los Instrumentos
El instrumento empleado, el Cuestionario de evaluación de la operatividad
del laboratorio del curso de Física General, fue validado por juicio de
Expertos. Las fichas de evaluación y resultados se muestran en los anexos 04
y 05.
3.5.Técnicas para el procesamiento y análisis de los Datos
Los datos obtenidos del instrumento cuestionario serán tabulados en una hoja
de cálculo de Excel 2016, para posteriormente proceder a realizar el análisis
descriptivo de los resultados haciendo uso del software IBM SPSS Statistics
Versión 23.
3.6.Aspectos Éticos
El autor de la presente investigación está comprometido con la veracidad de la
información que se presenta aquí: tanto la información proporcionada de
investigaciones de terceros como la información proporcionada por las
personas encuestadas para este proyecto (la cual permanece anónima), es veraz
y fiel a sus orígenes, y cuentan con sus respectivas referencias y citas.
23
CAPÍTULO IV: PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
4.1.Resultados del Procesamiento de Datos.
Se muestran los resultados de la aplicación del instrumento Cuestionario de
evaluación de la operatividad del laboratorio del curso de Física General para
determinar el impacto de esta modalidad laboral sobre las Capacidades de la Oficina
de Informática. Este impacto se va a determinar considerando:
Aspectos demográficos de la Población.
Adecuación con los contenidos del curso
Relevancia.
Complementariedad.
Autonomía.
Facilidad de Implementación
Facilidad para la toma de datos
Facilidad para el procesamiento de los datos
Visualización de los resultados:
4.1.1. Aspectos demográficos.
Desarrollando aspectos composición de la población de estudio en cuanto sexo,
edad, grado de instrucción, experiencia en el dictado del curso y uso de las TIC
en clase.
En cuanto al sexo se determinó que el 77% de la población es de sexo masculino.
Tabla 2: Composición de la Población por Sexo CANTIDAD PORCENTAJE
MASCULINO 6 85.7%
FEMENINO 1 14.3%
TOTAL 7 100.0%
Fuente: Elaboración propia
24
La distribución de los trabajadores por edades se muestra en la tabla 2 y gráfico 2
siguiente. La edad media de los encuestados es de 42.6 años de edad, por lo que
se deduce que son trabajadores con experiencia en sus labores de oficina.
Tabla 3: Composición de la Población por Edad CANTIDAD PORCENTAJE
26 a 35 años. 0 0.0%
36 a 45 años. 1 14.3%
46 a 55 años. 5 71.4%
Más de 55 años 1 14.3%
TOTAL 7 100.0%
Fuente: Elaboración propia
Gráfico 1: Composición de la población por edad.
Fuente: Elaboración propia
Sobre el grado de instrucción se halló que un poco menos del 92% tiene educación
superior, poseyendo el resto educación tecnológica. No existen trabajadores con
solo Secundaria Completa.
Tabla 4: Composición de la Población por Grado de Instrucción CANTIDAD PORCENTAJE
Bachiller 1 14.3%
Maestría 5 71.4%
Doctorado 1 14.3%
TOTAL 7 100.0%
Fuente: Elaboración propia
0
1
5
1
0
1
2
3
4
5
6
26 a 35 años. 36 a 45 años. 46 a 55 años. Más de 55 años
25
Gráfico 2: Composición de la población por grado de instrucción.
Fuente: Elaboración propia
El 71.4% de la población tiene grado de magister, 14.3% grado de Doctor y el
14,3% restante bachiller.
Tabla 5: Experiencia en el Dictado del Curso CANTIDAD PORCENTAJE
Entre 1 y 5 años 1 14.3%
Más de 5 hasta 10 años 2 28.6%
Más de 10 años 4 57.1%
TOTAL DE PERSONAS 7 100.0%
Fuente: Elaboración propia
Gráfico 3: Experiencia en el Dictado del Curso.
Fuente: Elaboración propia
1
5
1
0
2
4
6
Bachiller Maestría Doctorado
1
2
4
00.5
11.5
22.5
33.5
44.5
Entre 1 y 5 años Más de 5 hasta 10 años Más de 10 años
26
El 86% de la población emplea las TIC en el aula frecuentemente y el 14.3%
aveces, como se aprecia de la tabla siguiente:
Tabla 6: Uso de las TIC en el Aula CANTIDAD PORCENTAJE
Frecuentemente 6 85.7%
A veces 1 14.3%
Raramente 0 0.0%
Nunca 0 0.0%
TOTAL DE PERSONAS 7 100.0%
Fuente: Elaboración propia
4.1.2. Adecuación con los contenidos del curso.
Se relaciona con el grado en que los experimentos facilitan el logro de los
objetivos de aprendizaje de la práctica. De la tabla siguiente podemos indicar que
más del 71.4% de los encuestados indican que se encuentran totalmente de
acuerdo o de acuerdo, mientras que el 28.6% es indiferente respecto a la
adecuación de los contenidos del curso.
Tabla 7: Adecuación con los contenidos del curso CANTIDAD PORCENTAJE
Totalmente de acuerdo 3 42.9%
De acuerdo 2 28.6%
Indiferente 2 28.6%
En desacuerdo 0 0.0%
Totalmente en desacuerdo 0 0.0%
TOTAL DE PERSONAS 7 100.0% Fuente: Elaboración propia
Gráfico 4: Adecuación con los contenidos del curso.
Fuente: Elaboración propia
3
2 2
0 00
1
2
3
4
Totalmente deacuerdo
De acuerdo Indiferente En desacuerdo Totalmente endesacuerdo
27
4.1.3. Relevancia.
Se relaciona con el grado en que el uso y manipulación del experimento permite
clarificar los contenidos desarrollados en clase. De la tabla se aprecia que más del
85.6% de los encuestados indican que se encuentran totalmente de acuerdo o de
acuerdo, mientras que el 14.3% es indiferente respecto a la adecuación de los
contenidos del curso.
Tabla 8: Relevancia CANTIDAD PORCENTAJE
Totalmente de acuerdo 3 42.9%
De acuerdo 3 42.9%
Indiferente 1 14.3%
En desacuerdo 0 0.0%
Totalmente en desacuerdo 0 0.0%
TOTAL DE PERSONAS 7 100.0% Fuente: Elaboración propia
Gráfico 5: Relevancia.
Fuente: Elaboración propia
4.1.4. Complementariedad.
Se relaciona con el grado en que el uso y manipulación del experimento se
complementa con otros recursos de aprendizaje propuestos por el docente. Se
aprecia de la tabla que solo el 28.6% de los encuestados está muy de acuerdo
mientras que la mayoría, el 71.4% de los encuestados indican que se encuentran
de acuerdo respecto a la complementariedad del curso.
3 3
1
0 00
1
2
3
4
Totalmente deacuerdo
De acuerdo Indiferente En desacuerdo Totalmente endesacuerdo
28
Tabla 9: Complementariedad CANTIDAD PORCENTAJE
Totalmente de acuerdo 2 28.6%
De acuerdo 5 71.4%
Indiferente 0 0.0%
En desacuerdo 0 0.0%
Totalmente en desacuerdo 0 0.0%
TOTAL DE PERSONAS 7 100.0% Fuente: Elaboración propia
Gráfico 6: Relevancia.
Fuente: Elaboración propia
4.1.5. Autonomía.
Se relaciona con el grado en que el uso y manipulación del experimento permite
que el alumno administre su tiempo en clase y pueda repetir la experiencia las
veces que lo necesite. Se aprecia de la tabla que solo el 85.6% de los encuestados
está muy de acuerdo o acuerdo mientras que el 14.3% de los encuestados indican
que se encuentran indiferentes respecto a la autonomía del alumno.
Tabla 10: Autonomía CANTIDAD PORCENTAJE
Totalmente de acuerdo 3 42.9%
De acuerdo 3 42.9%
Indiferente 1 14.3%
En desacuerdo 0 0.0%
Totalmente en desacuerdo 0 0.0%
TOTAL DE PERSONAS 7 100.0% Fuente: Elaboración propia
2
5
0 0 00
1
2
3
4
5
6
Totalmente deacuerdo
De acuerdo Indiferente En desacuerdo Totalmente endesacuerdo
29
Gráfico 7: Autonomía.
Fuente: Elaboración propia
4.1.6. Facilidad de Implementación.
Se relaciona con el grado en que el alumno puede configurar los experimentos y
su seguimiento con facilidad. Se aprecia de la tabla que solo el 71.1% de los
encuestados está muy de acuerdo o acuerdo mientras que el 28.6% de los
encuestados se encuentran indiferentes respecto a la Facilidad de Implementación.
Tabla 11: Facilidad de Implementación CANTIDAD PORCENTAJE
Totalmente de acuerdo 2 28.6%
De acuerdo 3 42.9%
Indiferente 2 28.6%
En desacuerdo 0 0.0%
Totalmente en desacuerdo 0 0.0%
TOTAL DE PERSONAS 7 100.0% Fuente: Elaboración propia
Gráfico 8: Facilidad de Implementación.
Fuente: Elaboración propia
3 3
1
0 00
1
2
3
4
Totalmente deacuerdo
De acuerdo Indiferente En desacuerdo Totalmente endesacuerdo
2
3
2
0 00
1
2
3
4
Totalmente deacuerdo
De acuerdo Indiferente En desacuerdo Totalmente endesacuerdo
30
4.1.7. Facilidad para la toma de datos.
Se relaciona con el grado en que el alumno puede recolectar los datos del
experimento con facilidad y rapidez. Se aprecia de la tabla que solo el 42.9% de
los encuestados está muy de acuerdo mientras que el 57.1% de los encuestados se
encuentran de acuerdo respecto a la Facilidad para la toma de datos.
Tabla 12: Facilidad para la toma de datos CANTIDAD PORCENTAJE
Totalmente de acuerdo 3 42.9%
De acuerdo 4 57.1%
Indiferente 0 0.0%
En desacuerdo 0 0.0%
Totalmente en desacuerdo 0 0.0%
TOTAL DE PERSONAS 7 100.0% Fuente: Elaboración propia
Gráfico 9: Facilidad para la toma de datos.
Fuente: Elaboración propia
4.1.8. Facilidad para el procesamiento de los datos.
Se relaciona con el grado en que se puede procesar los datos y configurar su
presentación de forma sencilla. Se aprecia de la tabla que solo el 57.1% de los
encuestados está muy de acuerdo mientras que el 42.9% de los encuestados se
encuentran indiferentes respecto a la Facilidad para el procesamiento de los datos.
3
4
0 0 00
1
2
3
4
5
Totalmente deacuerdo
De acuerdo Indiferente En desacuerdo Totalmente endesacuerdo
31
Tabla 13: Facilidad para el procesamiento de los datos CANTIDAD PORCENTAJE
Totalmente de acuerdo 4 57.1%
De acuerdo 0 0.0%
Indiferente 3 42.9%
En desacuerdo 0 0.0%
Totalmente en desacuerdo 0 0.0%
TOTAL DE PERSONAS 7 100.0% Fuente: Elaboración propia
Gráfico 10: Facilidad para el procesamiento de los datos.
Fuente: Elaboración propia
4.1.9. Visualización de los resultados.
Se relaciona con el grado en que se puede procesar los datos y configurar su
presentación de forma sencilla. Se aprecia de la tabla que solo el 57.1% de los
encuestados está muy de acuerdo mientras que el 42.9% de los encuestados se
encuentran indiferentes respecto a la Facilidad para la Visualización de los
resultados.
Tabla 14: Facilidad para la Visualización de los resultados CANTIDAD PORCENTAJE
Totalmente de acuerdo 3 42.9%
De acuerdo 2 28.6%
Indiferente 2 28.6%
En desacuerdo 0 0.0%
Totalmente en desacuerdo 0 0.0%
TOTAL DE PERSONAS 7 100.0% Fuente: Elaboración propia
4
0
3
0 00
1
2
3
4
5
Totalmente deacuerdo
De acuerdo Indiferente En desacuerdo Totalmente endesacuerdo
32
Gráfico 11: Facilidad para la Visualización de los resultados.
Fuente: Elaboración propia
4.1.10. Capacidades del empleo de Arduino.
Al promediar los puntajes obtenidos en los cuestionarios se obtuvo 26 puntos
Sobre la capacidad de empleo de Arduino con la hoja de cálculo, se determina que
el puntaje del cuestionario es de 26, con un juicio de BUENO, se puede emplear
en el laboratorio tal como está, pero puede ser mejorada. Esto significa que el
empleo de arduino con la hoja de cálculo representa una buena opción a considerar
en la implementación de los laboratorios de Física General. Se puede emplear en
el laboratorio tal como está, pero puede ser mejorada.
4.2. Discusión.
Se va a desarrollar la discusión de los resultados por cada dimensión de estudio
tomando en cuenta los antecedentes del trabajo.
Los resultados se resumen en la Tabla 15 donde se aprecian cada una de los ítems
de la encuesta. Se aprecia que la mayoría de las respuestas se asocian a las
opciones “de acuerdo” o “muy de acuerdo”. Solamente en los dos últimos ítems
que tienen que ver con el manejo de los datos se presenta con fuerza la opción
“indiferente”. Esto coincide con el puntaje promedio obtenido de los cuestionarios
de 26, que se asocia con un juicio de BUENO.
3
2 2
0 00
1
2
3
4
Totalmente deacuerdo
De acuerdo Indiferente En desacuerdo Totalmente endesacuerdo
33
Se implementó una solución de toma y procesamiento de datos para un laboratorio
de Física I de bajo costo y amigable al usuario. Esto coincide con el trabajpo de
(Giraldo Angulo, 2017), quien concluye que al trabajar con microcontrolador
como arduino y el software asociado a este, no solo se cumplió con todos los
requerimientos necesarios para el desarrollo del proyecto como tal del módulo,
tanto en funcionalidad como en costos, ya que es económico y el software
asociado a este es de uso libre, además de esto es una herramienta amigable con
el usuario.
Tabla 15: Tabla Resumen
1 2 3 4 5 TOTAL
ITEM n % n % n % n % n % N %
1. El aplicativo facilita el logro
de los objetivos de aprendizaje de la
práctica. 0 0% 0 0% 2 29% 2 29% 3 43% 7 100%
2. El uso y manipulación de la
aplicación permite clarificar los contenidos desarrollados en clase.
0 0% 0 0% 1 14% 3 43% 3 43% 7 100%
3. Se complementa con recursos
otros recursos de aprendizaje
propuestos por el docente. 0 0% 0 0% 0 0% 5 71% 2 29% 7 100%
4. Permite que el alumno
administre su tiempo en clase y pueda
repetir la experiencia las veces que lo
necesite.
0 0% 0 0% 1 14% 3 43% 3 43% 7 100%
5. Puede configurar los
experimentos y su seguimiento con
facilidad. 0 0% 0 0% 2 29% 3 43% 3 43% 8 100%
6. Se puede recolectar los datos
del experimento con facilidad y rapidez.
0 0% 0 0% 0 0% 4 57% 3 43% 7 100%
7. Se puede procesar los datos y
configurar su presentación de forma
sencilla. 0 0% 0 0% 3 43% 0 0% 4 57% 7 100%
8. La visualización de los datos
y sus gráficas son sencillas de configurar y entender.
0 0% 0 0% 3 43% 2 29% 2 29% 7 100%
1) Totalmente Desacuerdo 2) En Desacuerdo 3) Indiferente 4) De Acuerdo 5) Totalmente de Acuerdo
Fuente: Elaboración propia
Se implementó una configuración con Arduino de bajo costo que permite realizar
la práctica de Física I de nivel universitario con rigor de medición. Este resultado
coincide con los resultados de Bouquet, Bobroff, Fuchs-Gallezot , & Maurines
34
(2016) y Auråen (2019), quienes indican que la tecnología, como las placas
Arduino de bajo costo y código abierto y los sensores asociados, abre el camino
hacia la implementación simple de laboratorios de estudiantes de física basados
en proyectos. Los estudiantes pueden realizar estudios pertinentes de fenómenos
físicos a nivel de currículos universitarios de tercer año incluso con este
equipamiento de bajo costo.
Por último, con este trabajo se pudo diseñar un laboratorio de Física I, péndulo
simple, que cumple con los requerimientos del curso de forma amigable para el
usuario. Concuerda con el trabajo de Giraldo Angulo (2017) al trabajar con
microcontrolador como Arduino y el software asociado a este, no solo cumplió
con todos los requerimientos necesarios para el desarrollo del proyecto como tal
del módulo, tanto en funcionalidad como en costos, ya que es económico y el
software asociado a este es de uso libre, además de esto es una herramienta
amigable con el usuario.
35
CAPÍTULO V: CONCLUSIONES
Sobre la capacidad de empleo de Arduino con la hoja de cálculo se determina que el
puntaje del cuestionario es de 26, con un juicio de BUENO, que permite asegurar que
se cuenta con un instrumento a juicio de los docentes se puede emplear en el
laboratorio tal como está, pero puede ser mejorada.:
Podemos indicar que el instrumento y practica diseñada con arduino y con una hoja
de cálculo para la visualización:
Tiene coherencia e su aplicación a los objetivos de enseñanza.
Facilita la recolección de datos.
Permite una configuración accesible.
Facilita el procesamiento y visualización de los resultados.
36
CAPÍTULO VI: RECOMENDACIONES
Emplear la hoja de cálculo con Arduino en los experimentos del curso de Física
General.
Tener calibrados los dispositivos de obtención y proceso de los datos, ya que de
ello depende la validez de los resultados en el experimento.
Los resultados son válidos solo para los experimentos de péndulo simple para
ángulos pequeños (menores de cinco grados).
37
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Iberoamericana.
Aristizábal, D., Restrepo, R., Ramírez, C., Montoya, N., Gonzales, E., & Muñoz, T. (2013). Uso
de las NTIC para apoyar la enseñanza de la física básica para ingenieros: experiencia
en la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín. Universidad Nacional de
Colombia , Medellín Colombia.
Auråen, J. (2019). Low-cost CTD Instrument Arduino based CTD for autonomous
measurement platform. Master Thesis, University of Oslo, Department of Physics,
Oslo.
Bonilla Bravo, G. (2018). Laboratorio Remoto Arduino para la realización de prácticas de
electrónica en la Escuela de Sistemas en la Pontificia Universidad Católica del
Ecuador. Sede Santo Domingo. Perirodo 2017 - 2018. Trabajo de Titulación,
Pontificia Universidad Católica del Ecuador. Sede Santo Domingo., Escuela de
Sistemas, Santo Domingo. Ecuador.
Bouquet, F., Bobroff, J., Fuchs-Gallezot , M., & Maurines, L. (2016). Project-based physics
labs using low-cost open-source hardware. 6. Obtenido de
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1601/1601.06659.pdf
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https://cdmxelectronica.com/producto/led-infrarrojo-par-de-led-ir-infrarrojos-
receptor-transmisor-3mm/
Diccionario de Física. (2020). Obtenido de
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Ferrini, A., & Aveleyra, E. (2009). El desarrollo de prácticas de laboratorio de física básica
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2018. Tesis de Titulación, Universidad Católica Los Ángeles de Chimbote, Facultad
de Ingeniería - Escuela Profesional de Ingeniería de Sistemas, Chimbote Perú.
39
ANEXOS
40
Anexo 01: Matriz de Consistencia
Título: “Capacidades del empleo de Arduino sobre la operatividad del laboratorio del curso de Física General”
Autor: Centurión Wu Acuy Carlos Sebastián Gabriel
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA OBJETIVO VARIABLES DIMENSIONES INDICADORES METODOLOGÍA
Problema General
¿Cuáles son los beneficios potenciales de
emplear arduino en la ejecución de los experimentos del Laboratorio de Física
General?
Problemas Específicos 1. ¿Cuál es la adecuación del Aplicativo
en los experimentos del Laboratorio
de Física?
2. ¿Cuál es la relevancia del Aplicativo en los experimentos del Laboratorio
de Física?
3. ¿Cuál es la complementariedad del
Aplicativo en los experimentos del Laboratorio de Física?
4. ¿Cuál es la autonomía del Aplicativo
en los experimentos del Laboratorio
de Física? 5. ¿Cuál es la facilidad de conexión del
Aplicativo en los experimentos del
Laboratorio de Física?
6. ¿Cuál es la facilidad de toma de datos del Aplicativo en los experimentos del
Laboratorio de Física?
7. ¿Cuál es la facilidad del
procesamiento de datos del Aplicativo
en los experimentos del Laboratorio
de Física?
8. ¿Cuál es la visualización del
Aplicativo en los experimentos del Laboratorio de Física?
Objetivo General
Determinar los beneficios potenciales
de emplear arduino en la ejecución de los experimentos del Laboratorio de
Física General.
Objetivos específicos 1. Determinar la adecuación del
Aplicativo en los experimentos
de Física.
2. Determinar la relevancia del Aplicativo en los experimentos
de Física.
3. Determinar la
complementariedad la integración del Aplicativo en los
experimentos de Física.
4. Determinar la autonomía del
Aplicativo en los experimentos de Física.
5. Determinar la facilidad de
conexión del Aplicativo en los
experimentos de Física. 6. Determinar la facilidad para la
toma de datos en los
experimentos de Física.
7. Determinar la facilidad para el
procesamiento de los datos en los
experimentos de Física.
8. Determinar la integración del
Aplicativo en los experimentos de Física.
. Capacidades del
empleo de Arduino
Manejo adecuado del laboratorio de Física
mediante el empleo de
herramientas informáticas
y electrónicas que permiten facilitar el
desarrollo de
experimentos de física
general y la recolección de resultados, apoyando el
aprendizaje de conceptos
fundamentales de Física
General con la exploración del proceso
de investigación de física
experimental.
Adecuación con los contenidos del
curso Grado en que los experimentos se adecúan a los contenidos del curso
Item del
Cuestionario
Investigación Descriptiva
El investigador busca y
recoge información relacionada con el objeto de
estudio.
Esquema:
M - O Dónde:
M: Muestra con quien(es)
vamos a realizar el
estudio. O: Información
(observaciones) relevante
o de interés que
recogemos de la muestra. La población son los
docentes de las
Universidades de la Ciudad.
No se realizará muestreo, trabajándose con toda la
población
Se empleará el
Cuestionario de evaluación
de la operatividad del
laboratorio del curso de
Física General validado
por juicio de expertos
Relevancia. Representaciones resultantes
de su manipulación, que complementen o clarifiquen los datos e información sobre
el tema
Item del
Cuestionario
Complementariedad. Integración a las
actividades y otros recursos, relacionados
con las experiencias, propuestas por el
docente.
Item del
Cuestionario
Autonomía. Permite la autorregulación del tiempo del alumno, promoviendo que
cada estudiante pueda repetir la
experiencia las veces que sea necesario.
Item del Cuestionario
Facilidad de Implementación Grado de
simplicidad para implementar y ejecutar
los experimentos
Item del
Cuestionario
Facilidad para la toma de datos Grado
de simplicidad para medir y recolectar la
data
Item del
Cuestionario
Facilidad para el procesamiento de los
datos
Simplicidad para efectuar el proceso de
los datos
Item del
Cuestionario
Visualización de los resultados:
Simplicidad con que se muestran los resultados de forma gráfica
Item del
Cuestionario
41
Anexo 02: Instrumento Cuestionario de evaluación de la Capacidad de empleo
de Arduino en Laboratorio de Física
PRESENTACIÓN
Estimado docente: El cuestionario que a continuación se presenta, tiene por finalidad recolectar información, que facilitará el desarrollo del trabajo de Tesis que elaboro con el título: “CUESTIONARIO DE EVALUACIÓN DE LA OPERATIVIDAD DEL LABORATORIO DEL CURSO DE FÍSICA GENERA”. Cabe indicar, que la información suministrada por usted se utilizará con fines académicos y bajo estricta confidencialidad.
INSTRUCCIONES.
A continuación, encontrará una serie de proposiciones, por favor sírvase contestar marcando una X la alternativa que mejor refleja su opinión. Dada la importancia de su valioso aporte, le agradecemos la mayor objetividad. Muchas Gracias...
CUESTIONARIO
Datos generales del usuario
Sexo: a) Masculino ( ) b) Femenino ( )
Edad: ……….
Nivel de estudios a) Bachiller ( ) b) Maestría ( ) c) Doctorado ( )
Años de experiencia en el curso a) 1-3 años ( ) b) 3-5 años ( ) c) 6-10 años ( ) d) 11 años o
más ( )
Años enseñando Física General o equivalente: a) Hasta 1 año ( ) b) 1-5 años ( ) c) 6-10 años ( )
d) 10 o más años ( )
Utiliza las TIC en sus clases: a) Frecuentemente b) A veces c) Raramente d) Nunca
CAPACIDADES DE EMPLEO DEL LABORATORIO
1. El aplicativo facilita el logro de los objetivos de aprendizaje de la práctica.
a) Totalmente de acuerdo ( ) b) De acuerdo ( ) c) Indiferente ( ) d) En desacuerdo ( ) e) Totalmente en desacuerdo ( )
2. El uso y manipulación de la aplicación permite clarificar los contenidos desarrollados en clase.
a) Totalmente de acuerdo ( ) b) De acuerdo ( ) c) Indiferente ( ) d) En desacuerdo ( ) e) Totalmente en desacuerdo ( )
3. Se complementa con recursos otros recursos de aprendizaje propuestos por el docente.
a) Totalmente de acuerdo ( ) b) De acuerdo ( ) c) Indiferente ( ) d) En desacuerdo ( ) e) Totalmente en desacuerdo ( )
4. Permite que el alumno administre su tiempo en clase y pueda repetir la experiencia las veces que lo necesite.
42
a) Totalmente de acuerdo ( ) b) De acuerdo ( ) c) Indiferente ( ) d) En desacuerdo ( ) e) Totalmente en desacuerdo ( )
5. Puede configurar los experimentos y su seguimiento con facilidad.
a) Totalmente de acuerdo ( ) b) De acuerdo ( ) c) Indiferente ( ) d) En desacuerdo ( ) e) Totalmente en desacuerdo ( )
6. Se puede recolectar los datos del experimento con facilidad y rapidez.
a) Totalmente de acuerdo ( ) b) De acuerdo ( ) c) Indiferente ( ) d) En desacuerdo ( ) e) Totalmente en desacuerdo ( )
7. Se puede procesar los datos y configurar su presentación de forma sencilla.
a) Totalmente de acuerdo ( ) b) De acuerdo ( ) c) Indiferente ( ) d) En desacuerdo ( ) e) Totalmente en desacuerdo ( )
8. La visualización de los datos y sus gráficas son sencillas de configurar y entender.
a) Totalmente de acuerdo ( ) b) De acuerdo ( ) c) Indiferente ( ) d) En desacuerdo ( ) e) Totalmente en desacuerdo ( )
OBSERVACIONES ADICIONALES
Si existieran observaciones o consejos adicionales sobre el experimento le pedimos las
indique a continuación:
…………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………
43
Anexo 03: Plantilla para la evaluación del instrumento – Juicio de Experto
ENCUESTA PARA MEDIR LA EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE
EMPLEO DE ARDUINO EN LABORATORIO DE FÍSICA
I DATOS GENERALES
Apellidos y Nombres del evaluador: ………………………………………………….
Cargo Actual e Institución donde labora: ………………………………………………
Nombre del Instrumento a evaluar: “Cuestionario de evaluación de la Capacidad de empleo
de Arduino en Laboratorio de Física”
II CRITERIOS DE EVALUACIÓN
Tomando en cuenta los criterios de evaluación presentados a continuación se le solicita su
opinión sobre el Instrumento de Medición que se le adjunta. Marque con una X la opción
que a su criterio corresponda.
CRITERIOS SI (1) NO (2) OBSERVACIONES
1. El instrumento recoge información que permite dar
respuesta al problema de investigación.
2. El instrumento propuesto corresponde a los
objetivos del estudio
3. La estructura del instrumento es la adecuada
4. Los ítems del instrumento corresponden a la
operacionalización de la variable
5. La secuencia presentada facilita el desarrollo del
instrumento
6. La redacción de los ítems es clara y entendible
7. El número de ítems es suficiente para la medición
Opinión de la aplicabilidad (Marque con una X):
1. Aplicable ( ) Aplicable después de corregir ( ) 1. No aplicable ( )
SUGERENCIAS:
………………………………………………………………………………
Fecha: __/__/___
FIRMA Y SELLO DEL EXPERTO DNI N°: …………………
44
45
46
47
Anexo 04: Esquema del circuito Arduino
48
Anexo 05: Código medir periodo del péndulo
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);
float startTime;
float actualTime;
float period1;
float period2;
float Micro;
float T;
float gravedad;
boolean firstPass;
const float pi = 3.1416;
void setup() {
Serial.begin(9600);
lcd.init();
lcd.backlight();
lcd.setCursor(1,0);
// pullup para evitar poner una resistencia externa
pinMode(13,INPUT_PULLUP);
// comenzamos a tomar el tiempo en microsegundos
startTime = micros();
Serial.println("CLEARDATA");//clear excel sheet
Serial.println("LABEL,Tiempo de envio,Periodo observado,Gravedad, Periodo Teorico,");//label for
ms-excel
}
void loop() {
// registramos los microsegundos
actualTime = micros();
// si se interrumpe la barrera
if(pulseIn(13,HIGH)) {
// si pasa por primera vez
if(firstPass) {
// guardamos la primera mitad del periodo
period1 = actualTime - startTime;
firstPass = false;
}
else {
// guardamos la segunda mitad del periodo
period2 = actualTime - startTime;
Micro = period1 + period2;
T = Micro /1000000;
gravedad = ((4*(pi*pi))*0.5/(T*T));
// enviamos la suma por el puerto serie
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("T =");
lcd.setCursor(4,0);
lcd.print(T);
lcd.setCursor(11,0);
lcd.print("s");
lcd.setCursor(0,1);
49
lcd.print("G =");
lcd.setCursor(4,1);
lcd.print(gravedad);
lcd.setCursor(11,1);
lcd.print("m/s2");
firstPass = true;
}
// reseteamos la variable temporal de comienzo
Serial.print(T);
Serial.print("|");
//Serial.print(", s ,");
Serial.print(gravedad);
//Serial.print(", cm.,");
Serial.print("|");
Serial.print("\n");
startTime = actualTime;
Serial.print("DATA,TIME,");
Serial.println(gravedad );
Serial.println(“,” );
Serial.println(T );
}
}
50
Anexo 6: Materiales utilizados
Placa Arduino
Arduino es una plataforma de hardware libre,
basada en una placa con un micro controlador y un
entorno de desarrollo (software), donde se diseñó
los códigos para la práctica del laboratorio de
Física.
Protoboard
Una placa de pruebas o placa de inserción (en inglés
Protoboard o Breadboard) es un tablero con
orificios que se encuentran conectados
eléctricamente entre sí de manera interna, donde se
conectó todos los componentes electrónicos y
cables para el armado de la práctica del Péndulo
simple.
Led laser Emisor y Receptor Se basan en
la combinación de un emisor y un receptor próximos
entre ellos, normalmente forman parte de un mismo
circuito integrado. El emisor es un diodo LED
infrarrojo (IRED) y el componente receptor el
fototransistor, son los que permiten la medición de la
práctica del Péndulo simple.
LCD 16x2 y LCM1602
Entonces, el término LCD 16x2 se refiere a un
pequeño dispositivo con pantalla de cristal líquido que
cuenta con dos filas, de dieciséis caracteres cada una,
que se utilizó para mostrar la información de la captura
de datos de la práctica del péndulo simple.
51
Transistor y resistencia
El transistor es un dispositivo electrónico
semiconductor utilizado para entregar una señal de
salida en respuesta a una señal de entrada. Cumple
funciones de amplificador, oscilador, conmutador o
rectificador. El término «transistor» es la contracción
en inglés de transfer resistor («resistor de
transferencia»), permitió la transferencia de pulsación
digitales al LCD 16 X 32
Aplicativo PLX-DAQ
Arallax Data Acquisition tool PLX-DAQ es un
complemento para MS Excel 2000 y 2003, que
te permite capturar hasta 26 canales de datos de
un Arduino conectado a una puerto serie
(COM1~15), con velocidad de hasta 128 Kbps,
que permite capturar los datos enviado por el
péndulo en Microsoft Excel.
Captura de los datos en Microsoft Excel
52
Anexo 07: Práctica de Física
Péndulo simple y la medida de la aceleración de la gravedad
1. Objetivo de la práctica
Estudio del péndulo simple. Medida de la aceleración de la gravedad, g.
2. Materiales y equipos.
• Péndulo simple con transportador graduado
• Tarjeta Arduino con sensor de detección
• Computadora con programa de hoja de
cálculo
• Regla milimetrada
El dispositivo experimental consiste en una masa
m (pesa) suspendida de un hilo fino de acero de
masa despreciable frente a m. La longitud efectiva
del hilo puede medirse sobre una escala graduada
y se puede variar cambiando la posición de un
pasador que impide su movimiento. Los tiempos de oscilación se tomarán de
forma automatizada mediante una tarjeta arduino con sensores infrarojos.
3. Conceptos
El período de una oscilación (T) es el número de variaciones necesarias para que
dicha oscilación vuelva a ser representada por cualquiera de los valores anteriores
obtenidos, con un índice de cadencia regular.
La gravedad (g), es la fuerza de atracción a que está sometido todo cuerpo que se
halle en las proximidades de la Tierra.
La frecuencia o velocidad angular es una medida de la velocidad de rotación. Se
define como el ángulo girado por una unidad de tiempo y se designa mediante
(𝜔). Su unidad en el Sistema Internacional es el radián por segundo (rad/s).
La Frecuencia es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de
tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico.
53
4. Teoría
El péndulo simple se define en Física como un punto material (de masa m)
suspendido de un hilo (de longitud l y masa despreciable) en el campo de
gravedad de la Tierra. Cuando hacemos oscilar la masa, desplazándola de modo
que el hilo forme un ángulo muy pequeño con la vertical, describe
aproximadamente un movimiento armónico simple. En efecto (véase la Fig. 1), al
soltar la masa en reposo desde la posición A, la fuerza que actuará sobre ella será
la componente tangencial del peso:
F = −mg sen θ (1)
Ahora bien, para ángulos muy pequeños, podemos hacer las aproximaciones:
sen θ ≅ θ (θ en radianes) (2)
s = θ·l ≅ x (véase la Fig. 1) (3)
Fig. 1. Esquema del péndulo simple
Sustituyendo (2) y (3) en (1) se tiene:
𝐹 = −𝑚𝑔
𝑙 𝑥 = −𝑘. 𝑥 (4)
Es decir, la fuerza es proporcional y de signo contrario al desplazamiento, siendo la
constante:
𝑘 = 𝑚𝑔
𝑙 (5)
54
Este tipo de fuerza recuperadora es la que caracteriza al movimiento armónico
simple, en el que la frecuencia de oscilación ω viene dada por la relación
𝜔2 = 𝑘
𝑚 → 𝑇 =
2𝜋
𝜔= 2𝜋√
𝑚
𝑘 (6)
siendo T el periodo de oscilación. Sustituyendo (5) en (6), obtenemos la expresión
para el periodo de las oscilaciones del péndulo simple:
𝑇 = 2𝜋 √𝑙
𝑔 (7)
A partir de esta expresión se puede determinar el valor de g si se miden l y T
experimentalmente.
𝑔 =4𝜋2
𝑇2 𝑙 (8)
5. Medidas a realizar. Resultados
5.1 Recomendaciones para las medidas
a) De acuerdo con la aproximación usada en (2) y (3), las fórmulas anteriores
deberán ser aplicables con confianza siempre que la amplitud de oscilación
sea pequeña (con θ ≤ 5º la diferencia [θ rad− sen θ] ≤ 10−4). Así también
disminuyen las pérdidas por rozamiento por ser menor la velocidad media
del movimiento.
b) Como la masa no es puntual, la longitud del péndulo es la distancia desde
el punto de sujeción hasta el centro de masas de la bola, es decir la longitud
del hilo más el radio de la bola.
c) Para que el péndulo se comporte como un oscilador armónico, es necesario
evitar cualquier rozamiento del hilo.
5.2. Toma de datos
a) Inicialmente se sujeta el péndulo con una longitud de hilo l ∼ 0.5 metros.
Una vez estabilizadas las oscilaciones pequeñas, se mide el periodo de
oscilación. Para reducir el error en la medida, se mide el tiempo que ha
tardado el péndulo en efectuar n oscilaciones (n = 10, para la práctica). El
periodo promedio vendrá dado por:
𝑇 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑛 𝑜𝑠𝑐𝑖𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠
𝑛 (9)
55
b) Arduino recibe la data de los sensores y toma 10 medidas del periodo,
enviando los datos hacia el puerto COM de la tarjeta, lo que permite su
proceso por Arduino enviándolos mediante el cable USB a la laptop, donde
el programa PLX –DATA, que es un complemento de Excel. Este
complemento permite conectar los puertos de Arduino y recibir
información mediante el puerto serial.
c) La aplicación procesará la siguiente tabla con los datos recibidos de la
tarjeta Arduino:
N HORA
ENVIO
TIEMPO
DE
ENVIO
PERIODO
OBSERVADO
(To)
PERIODO
TEORICO
(Tt)
ERROR
OBSERVADO
(e)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
VALORES PROMEDIO
𝑒 =𝑇𝑜 −𝑇𝑇
𝑇𝑇 % (10)
d) Para hallar el valor de g utilizamos la fórmula (8) que determina g a partir
del valor de g si se miden l y T experimentalmente.
𝑔 =4𝜋2
𝑇2 𝑙 (8)
En el caso de la práctica l toma el valor de ……………………. Y el
valor del Periodo Observado promedio es de T ………………………….
Reemplazándolos en la fórmula 8 nos proporciona un valor de g
…………………….
56
e) Grafica de los errores. Graficamos en Excel los errores observados
obteniendo una gráfica parecida a:
6. Bibliografía
1. Alonso M. y Finn E. J., “Física” Vol. I, Ed. Addison-Wesley Iberoamericana
(1986).
2. Sears F. y Zemansky M., “Física General”, Ed. Aguilar (1981).
3. C. Kittel, W. D. Knight y M. A. Ruderman, "Mecánica" del Berkeley Physics
Course, Ed Reverté, Barcelona (1968).
0.00050
0.00060
0.00100
0.00050
0.00010
0.00080
0.00060
0.00050
0.00009
0.00011
0.00000
0.00020
0.00040
0.00060
0.00080
0.00100
0.00120
0 2 4 6 8 10 12
GRAFICO DE ERRORES
ERROR OBSERVADO ERROR PROMEDIO
57
Anexo 08: Artículo Científico
“Capacidades del empleo de Arduino sobre la operatividad del
laboratorio del curso de Física General. Iquitos 2020.”
Autores:
Centurión Wu Acuy Carlos, Sebastián Gabriel apo2519@hotmail.com
Escobedo-Guerra Roger Alberto raescobedoguerra@gmail.com
Universidad Privada de la Selva Peruana. Facultad de Ingeniería
RESUMEN
Se tuvo como objetivo realizar un circuito utilizando la tarjeta arduino para automatizar las medidas de
un experimento del Curso de Física General que se dicta en la Universidad Peruana de la Selva Peruana.
Para la captura de datos se empleó el complemento de Excel PLX-DAQ y se procesó los datos en la
tarjeta y se presentaron en la hoja de cálculo con su respectiva gráfica. Se elaboró una Práctica de
Laboratorio del Curso de Física General con el experimento de determinación de la aceleración de la
gravedad g de forma indirecta a través de la medición del periodo de un péndulo simple. Se diseñ+o una
encuesta que se aplicó a siete docentes del curso de Física General o similares dictados a nivel
universitario. Se obtuvo como resultado que los docentes consideraron que las prácticas con el
dispositivo de medición son adecuadas para su empleo en la enseñanza de lo relativo al Péndulo Simple
aunque puede ser mejoradas.
PALABRAS CLAVES: Arduino, practica de física general, automatización, toma de dato.
ABSTRACT
The objective was to make a circuit using the arduino card to automate the measurements of an
experiment of the General Physics Course that is taught at the Peruvian University of the Peruvian
Jungle. For data capture, the PLX-DAQ Excel add-in was used and the data was processed on the card
and presented in the spreadsheet with its respective graph. A Laboratory Practice of the General
Physics Course was developed with the experiment to determine the acceleration of gravity g
indirectly through the measurement of the period of a simple pendulum. + O A survey was designed
and applied to seven teachers of the General Physics course or similar dictated at the university level.
It was obtained as a result that the teachers considered that the practices with the measuring device are
adequate for their use in the teaching of the Simple Pendulum, although it can be improved.
KEY WORDS: Arduino, general physics practice, automation, data collection.
1. INTRODUCCION
Siempre ha sido una necesidad en los
cursos de Física trasladar los
conocimientos teóricos adquiridos en el
salón de clase a la práctica. Los cursos de
Física siempre se conciben como una
oportunidad para que el alumno tome
conciencia del modelamiento matemático
de la realidad que existe detrás de las
fórmulas, con el agregado que las prácticas
de laboratorio se constituyen como el
inicio de la aplicación de las mediciones
estadísticas, el error de las mediciones y el
inicio del empleo del método científico.
(Lesteiro-Tejeda, Hernández-Delfin, &
Batista-Leyva, 2017). Estos retos de
enseñanza a menudo se ven limitados por
la carencia de equipos adecuados o el
tiempo limitado disponible para el
laboratorio. Este trabajo presenta una
alternativa que puede ser una solución
práctica a os problemas descritos..
En los laboratorios de física existe la
necesidad de realizar mediciones directas e
58
indirectas de todo tipo de magnitud física,
como requisito previo para analizar los
fenómenos y aplicar el método científico,
que sería el fin supremo del laboratorio.
Este proceso de recolección de los datos,
su análisis y comprobación de hipótesis se
ve limitado por el tiempo que toma
configurar el equipo y establecer y realizar
las medidas de las variables a estudiar.
Para configurar los equipos de laboratorio
se requiere un tiempo y supervisión
docente, tomando muchas veces un tiempo
de clase excesivo, provocando que los
experimentos no se culminen o se lleven a
cabo sin rigurosidad por lo limitado del
tiempo. Para superar estos inconvenientes
de costo y complejidad existen equipos de
laboratorio comerciales que incluyen la
toma de datos mediante sensores y
microcontroladores, pero cuyo costo
imposibilita adquirirlos en la cantidad
requerida.
Recientemente, el uso de
microcontroladores se ha simplificado
mucho con el desarrollo del famoso
microcontrolador Arduino. Este
microcontrolador de código abierto es
ampliamente utilizado como una tarjeta de
adquisición de datos de bajo costo. Es así
que sea común que los laboratorios de
física hayan sido repensados usando esta
tecnología. El uso de Aduino permite a los
estudiantes construir configuraciones de
bajo costo, como un sistema que facilita el
registro y comunicación de datos con otros
elementos como la computadora o el
teléfono inteligente..
2. IDENTIFICACION DE VARIABLES
Automatización con Arduino del
Laboratorio de Física General
Implica el manejo adecuado del
laboratorio de Física mediante el empleo
de herramientas informáticas y
electrónicas que permiten facilitar el
desarrollo de experimentos de física
general y la recolección de resultados,
apoyando el aprendizaje de conceptos
fundamentales de Física General con la
exploración del proceso de investigación
de física experimental.
Esta variable se estudió en base a las
siguientes dimensiones:
Adecuación con los contenidos del
curso. Grado en que los
experimentos se adecúan a los
contenidos del curso
Relevancia. Representaciones
resultantes de su manipulación, que
complementen o clarifiquen los
datos e información sobre el tema
Complementariedad. Integración a
las actividades y otros recursos,
relacionados con las experiencias,
propuestas por el docente.
Autonomía. Permite la
autorregulación del tiempo del
alumno, promoviendo que cada
estudiante pueda repetir la
experiencia las veces que sea
necesario.
Facilidad de Implementación Grado
de simplicidad para implementar y
ejecutar los experimentos
Facilidad para la toma de datos
Grado de simplicidad para medir y
recolectar la data
Facilidad para el procesamiento de
los datos. Simplicidad para efectuar
el proceso de los datos
Visualización de los resultados:
Simplicidad con que se muestran los
resultados de forma gráfica
3. METODOLOGIA
El tipo de investigación fue descriptiva,
porque se limitó a examinar las
capacidades del laboratorio automatizado
con la tarjeta arduino para determinar sus
capacidades o características que
permitan utilizarlo.
El diseño de la investigación es no
experimental, de tipo transversal
descriptivo.
El esquema es de estudio de caso con una
medición. Solo se pretende describir los
efectos de la implementación del
experimento con arduino para la medición
del experimento del Péndulo Simple en el
Laboratorio de Física General.
La población de estudio estuvo
conformada por 7 docentes de diversas
universidades de la Ciudad de Iquitos
quienes visualizaron un video y en base a
ello respondieron un cuestionario sobre las
características del circuito y sus bondades
para ser empleados en el laboratorio.
59
De acuerdo al tipo de investigación se
efectuó la validación de las encuestas a
efectuar los docentes.
Para procesar la información de acuerdo a
la formulación del problema y el logro de
los objetivos se procesaron los datos
estadísticamente teniendo en cuenta:
Tabulación de datos: resumen de los
datos estadísticos.
Tablas y gráficos de barra y
dispersión.
Tabulación computarizada: aplicación
del Excel Versión 2016 y SPSS
Versión 23.0.
Para esta fase del proyecto, se harán uso
de las herramientas informáticas
Microsoft Excel y SPSS Statistics.
4. RESULTADOS
Aspectos demográficos de la población
de estudio:
Desarrollando aspectos composición de la
población de estudio en cuanto sexo, edad,
grado de instrucción, años de servicio y
conocimiento del sistema.
En cuanto al sexo se determinó que el 86%
de la población es de sexo masculino.
La edad media de los encuestados es de
42.6 años de edad, por lo que se deduce
que son docentes con experiencia en la
enseñanza del curso.
Sobre su nivel de estudios y, se observó
que los docentes en su mayoría tienen el
grado de Magister (71%).
En cuanto años de servicio podemos
afirmar que el 57% de la población ha
trabajado más de 10 años, solo un docente
tiene menos de 5 años de servicio.
Al promediar los puntajes obtenidos en los
cuestionarios se obtuvo 26 puntos Sobre la
capacidad de empleo de Arduino con la
hoja de cálculo, se determina que el
puntaje del cuestionario es de 26, con un
juicio de BUENO, se puede emplear en el
laboratorio tal como está, pero puede ser
mejorada. Esto significa que el empleo de
arduino con la hoja de cálculo representa
una buena opción a considerar en la
implementación de los laboratorios de
Física General. Se puede emplear en el
laboratorio tal como está, pero puede ser
mejorada..
5. DISCUSIÓN
Se implementó una solución de toma
y procesamiento de datos para un
laboratorio de Física I de bajo costo y
amigable al usuario. Esto coincide con
el trabajpo de (Giraldo Angulo, 2017),
quien concluye que al trabajar con
microcontrolador como arduino y el
software asociado a este, no solo se
cumplió con todos los requerimientos
necesarios para el desarrollo del
proyecto como tal del módulo, tanto
en funcionalidad como en costos, ya
que es económico y el software
asociado a este es de uso libre, además
de esto es una herramienta amigable
con el usuario..
Se implementó una configuración con
Arduino de bajo costo que permite
realizar la práctica de Física I de nivel
universitario con rigor de medición.
Este resultado coincide con los
resultados de Bouquet, Bobroff,
Fuchs-Gallezot , & Maurines (2016) y
Auråen (2019), quienes indican que la
tecnología, como las placas Arduino
de bajo costo y código abierto y los
sensores asociados, abre el camino
hacia la implementación simple de
laboratorios de estudiantes de física
basados en proyectos. Los estudiantes
pueden realizar estudios pertinentes
de fenómenos físicos a nivel de
currículos universitarios de tercer año
incluso con este equipamiento de bajo
costo.
Por último, con este trabajo se pudo
diseñar un laboratorio de Física I,
péndulo simple, que cumple con los
requerimientos del curso de forma
amigable para el usuario. Concuerda
con el trabajo de Giraldo Angulo
(2017) al trabajar con
microcontrolador como Arduino y el
software asociado a este, no solo
cumplió con todos los requerimientos
necesarios para el desarrollo del
proyecto como tal del módulo, tanto
en funcionalidad como en costos, ya
que es económico y el software
asociado a este es de uso libre, además
60
de esto es una herramienta amigable
con el usuario.
6. CONCLUSIONES
Sobre la capacidad de empleo de Arduino
con la hoja de cálculo se determina que el
puntaje del cuestionario es de 26, con un
juicio de BUENO, que permite asegurar
que se cuenta con un instrumento a juicio
de los docentes se puede emplear en el
laboratorio tal como está, pero puede ser
mejorada.:
Podemos indicar que el instrumento y
practica diseñada con arduino y con una
hoja de cálculo para la visualización:
Tiene coherencia e su aplicación a los
objetivos de enseñanza.
Facilita la recolección de datos.
Permite una configuración accesible.
Facilita el procesamiento y
visualización de los resultados.
7. RECOMENDACIONES
Emplear la hoja de cálculo con
Arduino en los experimentos del curso
de Física General.
Tener calibrados los dispositivos de
obtención y proceso de los datos, ya
que de ello depende la validez de los
resultados en el experimento.
Los resultados son válidos solo para
los experimentos de péndulo simple
para ángulos pequeños (menores de
cinco grados).
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