física para ingenierías

FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA

M.Sc. Eduardo Montero Ph.D. Peter Iza Mat. Jorge Medina

INTRODUCCIÓN

A continuación se presenta la propuesta de las materias del área de Física que forman

parte del núcleo básico de Ciencias para Ingenierías. La siguiente propuesta está basada

en los requerimientos mínimos entregados por las Unidades Académicas y los

requerimientos necesarios para la acreditación ABET.

Los cursos de Física han estado centrados en el conocimiento de hechos, teorías

científicas y aplicaciones tecnológicas. Las nuevas tendencias pedagógicas ponen el

énfasis en la naturaleza, estructura y unidad de la ciencia, y en el proceso de

"indagación" científica. El problema que se presenta al profesor, es el de transmitir una

concepción particular o estructura de conocimiento científico a los estudiantes, de forma

que se convierta en componente permanente de su propia estructura cognoscitiva.

La Física y las demás ciencias de la naturaleza encierran en sí mismas un elevado valor

cultural. Para la comprensión del mundo moderno desarrollado tecnológicamente, es

necesario tener conocimientos de Física. La demanda creciente de conocimiento

científico por el público en general, es un indicador del gran impacto social de la

revolución científico-técnica, como lo indica la existencia de revistas de divulgación,

los artículos y secciones fijas en los periódicos de mayor difusión, la publicación de

libros escritos por importantes científicos en un formato atractivo y alejados de la aridez

de los artículos de las revistas científicas, la publicación de libros de historia de la

ciencia y biografías de sus principales artífices, etc.

Todo país que quiera mantenerse en los primeros lugares, con industrias competitivas, y

aceptable nivel tecnológico, ha de potenciar el nivel de calidad de la enseñanza de las

ciencias en todos los niveles.

En este proceso de reforma curricular se plantea el reto de formar personas altamente

preparadas, y con flexibilidad mental para adaptarse a los cambios que ocasiona la

introducción de nuevas tecnologías. Estamos en un momento en que se ha perdido la

idea de una carrera para toda la vida. De aquí se deriva, la importancia de tener unos

conocimientos afianzados que lo suministran las asignaturas básicas, una de las cuales,

es la Física.

El objetivo básico que se pretende que consigan los estudiantes al finalizar los cursos de

Física, es el aprendizaje significativo, es decir, la habilidad de interpretar y usar el

conocimiento en situaciones no idénticas a aquellas en las que fue inicialmente

adquirido. Para alcanzar este objetivo es necesario ayudar a los estudiantes a:

1. Desarrollar y aplicar ideas importantes (principios y leyes) que expliquen un

amplio campo de fenómenos en el dominio de la Física a nivel introductorio.

2. Aprender técnicas, y adquirir hábitos o modos de pensar y razonar.



Y en cuanto a las actitudes, se intentará que los estudiantes:

1. Sean responsables de su propio proceso de aprendizaje.

2. Tengan una actitud positiva hacia la ciencia y en particular, hacia la Física.

Las modificaciones sustanciales son:

a. El dictado de Física I para ingenieros luego de haber aprobado Cálculo.

b. Reestructuración de los cursos de Física. Se reduce el número de horas teóricas

de 4 a 3 horas semanales, y de cuatro a tres cursos en los cuales se desarrollarán

los conceptos más relevantes.

c. Algunos conceptos serán desarrollados por los estudiantes en las horas de

trabajo independiente.

d. Se asignan a cada curso de Física dos horas prácticas semanales. En dichas

horas, los profesores, asistidos por los técnicos docentes, podrán desarrollar

talleres de resolución de problemas.

e. Los laboratorios de Física no pueden ser dictados como materias aisladas y por

el limitante de horas, no se pueden desarrollar la misma cantidad de prácticas

que se realizan actualmente. Se están seleccionando un grupo de prácticas

representativas que se realizarán durante las horas prácticas.

f. Con el fin de complementar los conocimientos adquiridos en los cursos

introductorios, se ofrece de manera opcional el curso de Física IV para

ingenieros de 2 horas semanales.

Los campos temáticos de los cursos de Física del núcleo básico de Ciencias para

Ingenierías son los siguientes:

FÍSICA I PARA INGENIEROS

1. CINEMÁTICA (6 horas)

1.1. Concepto de partícula

1.2. Sistemas de referencia

1.3. Distancia, posición y desplazamiento

1.4. Velocidad media e instantánea

1.5. Aceleración media e instantánea

1.6. Movimientos en una dimensión

1.7. Movimientos en dos dimensiones

1.8. Movimiento circular

1.9. Velocidad relativa: ecuaciones de transformación galileanas

2. LEYES DEL MOVIMIENTO DE NEWTON (6 horas)

2.1. Fuerza e interacciones

2.2. Primera ley de Newton

2.3. Segunda ley de Newton

2.4. Tercera ley de Newton

2.5. Diagramas de cuerpo libre



2.6. Empleo de la primera ley de Newton: Partículas en equilibrio

2.7. Empleo de la segunda ley de Newton: Dinámica de partículas

2.8. Fuerzas de fricción

2.9. Dinámica del movimiento circular

2.10. Fuerzas fundamentales de la naturaleza

3. TRABAJO Y ENERGÍA (6 horas)

3.1. Trabajo

3.2. Energía cinética y el teorema trabajo-energía

3.3. Trabajo y energía con fuerza variable

3.4. Potencia

3.5. Energía potencial gravitacional

3.6. Energía potencial elástica

3.7. Fuerzas conservativas y no conservativas

3.8. Fuerza y energía potencial

3.9. Diagramas de energía

4. MOMENTO LINEAL, IMPULSO Y CHOQUES (6 horas)

4.1. Momento lineal e impulso

4.2. Conservación del momento lineal

4.3. Conservación del momento lineal y choques

4.4. Choques elásticos

4.5. Centro de masa

4.6. Propulsión a reacción

5. ROTACIÓN DE CUERPOS RÍGIDOS (9 horas)

5.1. Velocidad y aceleración angulares

5.2. Rotación con aceleración angular constante

5.3. Relación entre cinemática lineal y angular

5.4. Energía en el movimiento rotacional

5.5. Teorema de los ejes paralelos

5.6. Cálculos de momento de inercia

5.7. Torca

5.8. Torca y aceleración angular de un cuerpo rígido

5.9. Rotación de un cuerpo rígido sobre un eje móvil

5.10. Trabajo y potencia en movimiento rotacional

5.11. Momento angular

5.12. Conservación del momento angular

5.13. Giróscopos y precesión

6. EQUILIBRIO Y ELASTICIDAD (3 horas)

6.1. Condiciones del equilibrio

6.2. Centro de gravedad

6.3. Resolución de problemas de equilibrio de cuerpos rígidos

6.4. Esfuerzo, deformación y módulos de elasticidad

6.5. Elasticidad y plasticidad



7. GRAVITACIÓN (3 horas)

7.1. Ley de Newton de la gravitación

7.2. Peso

7.3. Energía potencial gravitacional

7.4. Movimiento de satélites

7.5. Las leyes de Kepler y el movimiento de los planetas

7.6. Distribuciones esféricas de masa

7.7. Peso aparente y rotación terrestre

8. MOVIMIENTO PERIÓDICO (3 horas)

8.1. Descripción de la oscilación

8.2. Movimiento armónico simple

8.3. Energía en el movimiento armónico simple

8.4. Aplicaciones del movimiento armónico simple

8.5. El péndulo simple

8.6. El péndulo físico

8.7. Oscilaciones amortiguadas

8.8. Oscilaciones forzadas y resonancia

9. MECÁNICA DE FLUIDOS (6 horas)

9.1. Densidad

9.2. Presión en un fluido

9.3. Flotación

9.4. Flujo de fluido

9.5. Ecuación de Bernoulli

9.6. Viscosidad y turbulencia

FÍSICA II PARA INGENIEROS

1. ONDAS MECÁNICAS (6 horas)

1.1. Tipos de ondas mecánicas

1.2. Ondas periódicas

1.3. Descripción matemática de una onda

1.4. Rapidez de una onda transversal

1.5. Energía del movimiento ondulatorio

1.6. Interferencia de ondas, condiciones de frontera y superposición

1.7. Ondas estacionarias en una cuerda

1.8. Modos normales de una cuerda

2. SONIDO (3 horas)

2.1. Ondas sonoras

2.2. Rapidez de las ondas sonoras

2.3. Intensidad del sonido

2.4. Ondas sonoras estacionarias y modos normales

2.5. Resonancia

2.6. Interferencia de ondas

2.7. Pulsos

2.8. El efecto Doppler



2.9. Ondas de choque

3. TEMPERATURA Y CALOR (3 horas)

3.1. Temperatura y equilibrio térmico

3.2. Termómetros y escalas de temperatura

3.3. Termómetros de gas y la escala Kelvin

3.4. Expansión térmica

3.5. Cantidad de calor

3.6. Calorimetría y cambios de fase

3.7. Mecanismos de transferencia de calor

4. PROPIEDADES TÉRMICAS DE LA MATERIA (3 horas)

4.1. Ecuaciones de estado

4.2. Propiedades moleculares de la materia

4.3. Modelo cinético-molecular del gas ideal

4.4. Capacidades caloríficas

4.5. Rapideces moleculares

4.6. Fases de la materia

5. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA (3 horas)

5.1. Sistemas termodinámicos

5.2. Trabajo realizado al cambiar el volumen

5.3. Trayectoria entre estados termodinámicos

5.4. Energía interna y la primera ley de la termodinámica

5.5. Tipos de procesos termodinámicos

5.6. Energía interna de un gas ideal

5.7. Capacidad calorífica del gas ideal

5.8. Proceso adiabático para el gas ideal

6. LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA (6 horas)

6.1. Dirección de los procesos termodinámicos

6.2. Maquinas térmicas

6.3. Motores de combustión interna

6.4. Refrigeradores

6.5. La segunda ley de la termodinámica

6.6. El ciclo de Carnot

6.7. Entropía

6.8. Interpretación microscópica de la entropía

7. CARGA ELÉCTRICA Y CAMPO ELÉCTRICO (6 horas)

7.1. Carga eléctrica

7.2. Conductores, aislantes y cargas inducidas

7.3. Ley de Coulomb

7.4. El campo eléctrico y las fuerzas eléctricas

7.5. Cálculos de campos eléctricos

7.6. Líneas de campo eléctrico

7.7. Dipolos eléctricos



8. LEY DE GAUSS (3 horas)

8.1. Carga y flujo eléctrico

8.2. Cálculo del flujo eléctrico

8.3. Ley de Gauss

8.4. Aplicaciones de la ley de Gauss

8.5. Cargas en conductores

9. POTENCIAL ELÉCTRICO (6 horas)

9.1. Energía potencial eléctrica

9.2. Potencial eléctrico

9.3. Cálculo del potencial eléctrico

9.4. Superficies equipotenciales

9.5. Gradiente de potencial

10. CAPACITANCIA Y DIELÉCTRICOS (3 horas)

10.1. Capacitores y capacitancia

10.2. Capacitores en serie y en paralelo

10.3. Almacenamiento de energía en capacitores y energía de campo eléctrico

10.4. Dieléctricos

10.5. Modelo molecular de la carga inducida

10.6. La Ley de Gauss en los dieléctricos

11. CORRIENTE, RESISTENCIA Y FUERZA ELECTROMOTRIZ (3 horas)

11.1. Corriente eléctrica

11.2. Resistividad

11.3. Resistencia

11.4. Fuerza electromotriz y circuitos

11.5. Energía y potencia en circuitos eléctricos

11.6. Teoría de la conducción metálica

12. CIRCUITOS DE CORRIENTE DIRECTA (3 horas)

12.1. Resistores en serie y en paralelo

12.2. Reglas de Kirchhoff

12.3. Instrumentos de medición eléctrica

12.4. Circuitos R-C

12.5. Sistemas de distribución de energía

FÍSICA III PARA INGENIEROS

1. CAMPO MAGNÉTICO Y FUERZAS MAGNÉTICAS (6 horas)

1.1. Magnetismo

1.2. Campo magnético

1.3. Líneas de campo magnético y flujo magnético

1.4. Movimiento de partículas cargadas en un campo magnético

1.5. Aplicaciones del movimiento de partículas cargadas

1.6. Fuerza magnética sobre un conductor que transporta corriente

1.7. Fuerza y par de torsión en una espira de corriente

1.8. El motor de corriente directa



1.9. El Efecto Hall

2. FUENTES DE CAMPO MAGNÉTICO (6 horas)

2.1. Campo magnético de una carga en movimiento

2.2. Campo magnético de un elemento de corriente

2.3. Campo magnético de un conductor que transporta corriente

2.4. Fuerza entre alambres paralelos

2.5. Campo magnético de una espira circular de corriente

2.6. Ley de Ampère

2.7. Aplicaciones de la ley de Ampère

2.8. Materiales magnéticos

3. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA (3 horas)

3.1. Experimentos de inducción

3.2. Ley de Faraday

3.3. Ley de Lenz

3.4. Fuerza electromotriz de movimiento

3.5. Campos eléctricos inducidos

3.6. Corrientes parásitas

3.7. Corriente de desplazamiento y ecuaciones de Maxwell

4. INDUCTANCIA (3 horas)

4.1. Inductancia mutua

4.2. Autoinductancia e inductores

4.3. Energía del campo magnético

4.4. El circuito R-L

4.5. El circuito L-C

4.6. El circuito L-R-C en serie

5. CORRIENTE ALTERNA (3 horas)

5.1. Fasores y corrientes alternas

5.2. Resistencia y reactancia

5.3. El circuito L-R-C en serie

5.4. Potencia en circuitos de corriente alterna

5.5. Resonancia en los circuitos de corriente alterna

5.6. Transformadores

6. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (3 horas)

6.1. Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas

6.2. Ondas electromagnéticas planas y rapidez de la luz

6.3. Ondas electromagnéticas sinusoidales

6.4. Energía y cantidad de movimiento de las ondas electromagnéticas

6.5. Ondas electromagnéticas estacionarias

7. NATURALEZA Y PROPAGACIÓN DE LA LUZ (3 horas)

7.1. La naturaleza de la luz

7.2. Reflexión y refracción

7.3. Reflexión interna total



7.4. Dispersión

7.5. Principio de Huygens

8. ÓPTICA GEOMÉTRICA (6 horas)

8.1. Reflexión y refracción en una superficie plana

8.2. Reflexión en una superficie esférica

8.3. Refracción en una superficie esférica

8.4. Lentes delgadas

8.5. Cámaras fotográficas

8.6. El ojo

8.7. La lente de aumento

8.8. Microscopios y telescopios

9. INTERFERENCIA (3 horas)

9.1. Interferencia y fuentes coherentes

9.2. Interferencia de la luz procedente de dos fuentes

9.3. La intensidad en los patrones de interferencia

9.4. Interferencia en películas delgadas

9.5. El interferómetro de Michelson

10. DIFRACCIÓN Y POLARIZACIÓN (3 horas)

10.1. Difracción de Fresnel y Fraunhofer

10.2. Difracción desde una sola ranura

10.3. Intensidad en el patrón de una sola ranura

10.4. Ranuras múltiples

10.5. Rejilla de difracción

10.6. Difracción de rayos x

10.7. Aberturas circulares y poder de resolución

10.8. Holografía

10.9. Polarización

10.10. Dispersión de la luz

11. RELATIVIDAD (6 horas)

11.1. Invariabilidad de las leyes físicas

11.2. Relatividad de la simultaneidad

11.3. Relatividad de los intervalos de tiempo

11.4. Relatividad de la longitud

11.5. Transformaciones de Lorentz

11.6. Efecto Doppler en ondas electromagnéticas

11.7. Cantidad de movimiento relativista

11.8. Trabajo y energía relativistas

11.9. Mecánica newtoniana y relatividad

12. FOTONES, ELECTRONES Y ÁTOMOS (3 horas)

12.1. Emisión y absorción de la luz

12.2. El efecto fotoeléctrico

12.3. Espectros atómicos de líneas y niveles de energía

12.4. El átomo nuclear



12.5. El modelo de Bohr

12.6. El láser

12.7. Producción y dispersión de rayos x

12.8. Espectros continuos

12.9. Dualidad onda-partícula

FÍSICA IV PARA INGENIEROS

1. LA NATURALEZA ONDULATORIA DE LAS PARTÍCULAS (6 horas)

1.1. Ondas de De Broglie

1.2. Difracción de electrones

1.3. Probabilidad e incertidumbre

1.4. El microscopio electrónico

1.5. Funciones de onda y la ecuación de Schrödinger

2. MECÁNICA CUÁNTICA (4 horas)

2.1. Partícula en una caja

2.2. Pozos de potencial

2.3. Barreras de potencial y tunelamiento

2.4. El oscilador armónico

2.5. Problemas tridimensionales

3. ESTRUCTURA ATÓMICA (6 horas)

3.1. Los primeros modelos del átomo

3.2. El átomo de hidrógeno

3.3. El número cuántico magnético del spin

3.4. Las funciones de onda para el hidrógeno

3.5. El efecto Zeeman

3.6. Espín del electrón

3.7. Átomos con muchos electrones y el principio de exclusión

3.8. Espectros de rayos x

4. MOLÉCULAS Y MATERIA CONDENSADA (6 horas)

4.1. Clases de enlaces moleculares

4.2. Espectros moleculares

4.3. Estructura de los sólidos

4.4. Bandas de energía

4.5. Modelo de electrones libres para los metales

4.6. Semiconductores

4.7. Dispositivos con semiconductores

4.8. Superconductividad

5. FÍSICA NUCLEAR (6 horas)

5.1. Propiedades de los núcleos

5.2. Enlace nuclear y estructura nuclear

5.3. Estabilidad nuclear y radiactividad

5.4. Actividades y vidas medias

5.5. Efectos biológicos de la radiación



5.6. Detectores de radiación

5.7. Interacciones que involucran neutrones

5.8. Fisión nuclear

5.9. Reactores nucleares

5.10. Fusión nuclear

6. FÍSICA DE PARTÍCULAS Y COSMOLOGÍA (4 horas)

6.1. Las partículas fundamentales y su historia

6.2. Aceleradores y detectores de partículas

6.3. Partículas e interacciones

6.4. Los quarks y las ocho maneras

6.5. El modelo estándar y más allá

6.6. El Universo en expansión

6.7. El principio del tiempo

física para ingenierías

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