The Spacetime Metric

Nivel 3 · Núcleo universitario · Kit docente · Primer y segundo año de universidad

Cálculo, vectores y ecuaciones diferenciales

Un registro de laboratorio para estudiantes y una guía específica para docentes convierten el modelo interactivo en una investigación repetible.

Registro del estudiante

Estudio de convergencia de osciladores y deriva de energía

¿Cuándo representa una trayectoria numérica la ecuación diferencial en lugar del error del método escalonado?

Preparación

  • • Utiliza el banco numérico del oscilador. Establece una línea de referencia, varía solo el paso de tiempo, luego cambia un parámetro físico y repite el estudio de convergencia.

Predice primero

  1. 1. Predecir cómo reducir a la mitad el paso temporal cambia el error de trayectoria.
  2. 2. Predecir qué ocurre cuando el escalón cruza el límite de estabilidad mostrado.
Variables
VariableFunciónUnidad
Masa y constante de muelleEntradas físicaskg y N/m
Paso temporalVariable numérica independientes
Trayectoria y faseDependienteM y Rad
Error de energía relativaDiagnóstico numérico%

Columnas de observación

MassMuelle kPasoPasos/PuntoError de energía máxima¿estable?

Analiza

  1. 1. ¿Qué ejecuciones demuestran convergencia?
  2. 2. ¿Oscilación de energía acotada equivale a conservación exacta?
  3. 3. ¿Cómo altera la masa cambiante el periodo físico?
  4. 4. Establece una regla defendible del tamaño de pasos a partir de tus pruebas.

Marco para la conclusión

Para m=___ y k=___, reducir Δt de ___ a ___ cambiaba el error energético de ___ a ___; por lo tanto, un paso justificado es ___.

Guía del docente · 50–65 minutos

Enseña la investigación, no la interfaz

Objetivo: Los aprendices separan los parámetros físicos de los controles numéricos y justifican la convergencia mediante diagnósticos de trayectoria e invariantes.

Preparación

  • • Revisa ω=√(k/m) y la energía del oscilador.
  • • Define convergencia antes de abrir el laboratorio.
  • • Prepara una carrera estable pero imprecisa.

Movimientos de facilitación

  • • Pregunta qué ecuación se mantuvo fija a lo largo de la comparación.
  • • Requiere al menos tres tamaños de paso.
  • • Compara el error de fase con el error de energía en lugar de aceptar un solo gráfico.

Accesibilidad y participación

  • • Empareja los gráficos con resúmenes numéricos de errores.
  • • Describe el movimiento en el espacio de fases sin requerir distinción de color.
  • • Proporciona una tabla de tres ejecuciones y soporte para calculadoras.

Evidencia de aprendizaje

  • • Una tabla de convergencia de tres pasos
  • • Una distinción entre variables físicas y numéricas
  • • Una recomendación de estabilidad justificada

Comprobaciones de ideas erróneas

Una curva suave debe ser precisa.

La interpolación puede parecer suave mientras que la fase y la energía se alejan mucho de la solución de la ecuación diferencial.

Más pasos siempre reparan un modelo inestable.

Los pasos más pequeños abordan la discretización; no reparan una ecuación incorrecta, condición de frontera ni conversión de unidades.

Ampliación

Compara el Euler simpléctico con el Euler directo usando condiciones iniciales idénticas y coste computacional.