fisica uno

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MÉXICOCOLEGIO DE CIENCIAS Y HUMANIDADES

PLANTEL VALLEJO

AREA DE CIENCIAS EXPERIMENTALES

FISICA 1

CURSO DE 80 HRS.

Apuntes de apoyo para la materia de fisica I.

POR MI RAZA HABLARA EL ESPIRITU

Roberto Laguna Luna

Los nombres de las unidades y el orden de los temas:

UNIDAD PRIMERA. (15 hrs.)Campo de estudio de la fisica.

TEMAS

1. Introducción general

1.1 Importancia de la fisica en la vida cotidiana1.2 Fisica clásica y contemporánea.1.3 Carácter explicativo y predictivo de la fisica

2. Representación cuantitativa de cambios fisicos

2.1 Cuantificación de magnitudes fisicas y de sus cambios2.2 Gráficas que describen relaciones entre magnitudes físicas

3. Complejidad de los fenómenos físicos

3.1 Grado de complejidad de los fenómenos físicos3.2 Fenómenos físicos sencillos (ejemplos mecánicos)3.3 Fenómenos físicos complejos (ejemplos termodinámicos)

UNIDAD SEGUNDA. (20 hrs.)Fenómenos mecánicos.

TEMAS

4. Características de los fenómenos mecánicos

4.1 Factores que cambian la estructura o el estado de movimientos de objetos4.2 Posiciones y desplazamientos de objetos físicos4.3 Velocidad media en el movimiento de traslación de un objeto4.4 Concepto de masa y su cuantificación4.5 Ímpetu de una particula

5. Impetu y energía mecánica

5.1 Energía cinética de una partícula5.2 Energía potencial de una particula5.3 Colisiones entre particulas en una dimensión5.4 Conservación del ímpetu 5.5 Conservación de la energía mecánica

UNIDAD TERCERA. (30 hrs.)Fenómenos termodinamicos.

TEMAS

6. Calor y temperatura

6.1 Procesos disipativos6.2 Calor como forma de energía6.3 Temperatura6.4 Escalas termométricas absolutas6.5 Formas como se transfiere el calor: conducción, convección y radiación

7. Movimiento molecular y energía

7.1 Estructura de la materia7.2 Temperatura según la teoria cinética de los gases ideales7.3 Ecuación de estado de los gases ideales7.4 Formas de energía y mecanismos de transferencia7.5 Concepto de entropía

8. Máquinas térmicas

8.1 Motores8.2 Refrigeradores8.3 Eficiencia energética

UNIDAD CUARTA. (15 hrs.)Estructura de la materia y energía en el universo.

TEMAS

9. Estructura de la materia

9.1 Estructura de los átomos, núcleos y electrones9.2 Estructura de los núcleos, protones y neutrones9.3 Interacciones entre partículas elementales9.4 Equivalencia masa-energía9.5 Materia-antimateria9.6 Energía nuclear: radiactividad, fisión y fusión

10. Energía en el universo

10.1 El sol como fuente primaria de energía10.2 Origen y evolución del universo10.3 Otros fenómenos cósmicos

UNIDAD PRIMERACAMPO DE ESTUDIO DE LA FISICA

(15 HRS)

TEMAS1. Introducción general

1.1Importancia de la fisica en la vida cotidiana1.2 Fisica clásica y contemporánea.1.3 Carácter explicativo y predictivo de la fisica

2 Representación cuantitativa de cambios fisicos

2.2 Cuantificación de magnitudes fisicas y de sus cambios2.3 Gráficas que describen relaciones entre magnitudes físicas

3 Complejidad de los fenómenos físicos

3.2 Grado de complejidad de los fenómenos físicos3.3 Fenómenos físicos sencillos (ejemplos mecánicos)3.4 Fenómenos físicos complejos (ejemplos termodinámicos)

Conceptos:

CambioFenomeno fisicoMagnitudMagnitudes fisicasCuantificaciónRazón de cambioVariableEstado de un sistemaEstados inicial y final de un sistemaGrado de complejidad de un sistemaFenómeno mecánicoFenómeno termodinámicoEnergía

PROPÓSITOS:Esta unidad tiene como propósito:

i) Despertar tú curiosidad por los temas de fisica. ii) Que descubras la relación de la fisica con tu cotidianeidad. iii) Que sepas el cómo interactuan los sistemas.

iv) Que conozcas la metodología que se utiliza en la investigación cuya consecuencia es la explicación de los fenómenos físicos.

Se pretende que percibas que un sistema es una parte del universo, así los sistemas se seleccionan al investigar un fenómeno físico, mientras que las magnitudes físicas son propiedades cuantificables que utilizamos como herramientas, y cuyos conceptos bien definidos, nos permiten describir y analizar los sistemas para predecir sus cambios.

Al término de la unidad:

a) Tendrás una visión introductoria y global de la fisica.b) Aumentará tu capacidad de observación y descripción de algunos fenómenos fisicos

sencillos.c) Conocerás que los principales elementos de carácter metodológico en fisica son: el

planteamiento de problemas, la elaboración y contrastación experimental de hipótesis.

DesarrolloOrientaciónActividad 1.1

Preguntas claves de la secuencia:

1.- ¿La fisica tiene relación con aspectos de la vida cotidiana?

2.- ¿Porqué es importante la fisica?

3.- Menciona tu concepto y da ejemplos de fenómenos físicos.

4.- ¿Para que sirve aprender física?

5.- ¿Qué relación tienen los “cambios” con los fenómenos físicos?

6.-¿Cómo se relaciona la matematica con la física?

7.- ¿Habrä alguna relación de la fisica con la historia?

8.- ¿Cómo ubicas a la fisica con la Ciencia, la tecnología y la sociedad?

9.- Lectura e investigación.

Estrategia 1.1 lecturaFísica y otras cosas (Como acercarse a la física, Juan Manuel Lozano, Noriega editores, 1995).

“La física es una actividad creativa y fascinante, estrechamente ligada a las matematicas, a la filosofía y a la historia. El desarrollo de la física es el resultado de un esfuerzo prolongado que, a través de muchos siglos, han realizado muchos hombres y mujeres de diversas partes del mundo, siempre con el propósito de conocer más y mejor los fenómenos naturales. Pero como el conocimiento y el entendimiento de la naturaleza nos da la capacidad de transformarla, la física debe ser inseparable de los valores humanos; sólo así el empleo de los conocimientos cientifícos redundara en beneficio de la humanidad...La física es, mas que nada, una manera de ver el universo. Para la física el universo es natural, los sucesos del universo son naturales, los acontecimientos se desarrollan de acuerdo con ciertas relaciones entre los constituyentes del universo, y estas relaciones son naturales. La física no acepta teorías incoherentes o vagas o que recurran a explicacines no naturales; de igual modo, tampoco acepta teorías que no sea posible confrontar con un experimento.Lo primero que podemos observar en la naturaleza es la coexistencia de las cosas y que éstas cambian continuamente.En efecto, observamos que estamos parados en el piso: hay paredes, ventanas, árboles, cerros, luz, papel, lápices y miles de cosas más, pero también notamos que las ventanas se abren, los árboles se mueven con el viento, los cerros reverdecen, el lápiz hace aparecer las letras en el papel. Todo esto significa que nuestra primera percepción del mundo es la existencia de la materia y que ésta se manifiesta en el espacio y en el tiempo.Observamos que la materia sufre un número ilimitado de cambios; pero lo importante, curioso y sorprendente es que en un uiverso de cambios existan regularidades, y prevalezca un orden profundo que nos dice que hay cosas que no cambian. Pero aquí viene lo bueno, lo mas asombroso y maravilloso: somos capaces de descubrir las regularidades, el orden y las leyes de la naturaleza.La física ha conseguido definir conceptos útiles, encontrar leyes, establecer principios, formular teorías, predecir fenómenos; y todo esto sin recurrir a mitos ni caprichos, sólo fundándose en la observación, la experiencia, la experimentación y el razonamiento. Las leyes naturales se pueden encontrar si se buscan con tenacidad, habilidad, inteligencia e imaginación.Las leyes de la naturaleza no las podemos modificar, pero si las podemos usar.La física, parte esencial de la cultura y de la civilización, en tanto conocimiento y comprensión de la anturaleza, es un satisfactor intelectual de primer orden; entender a la naturaleza, aunque sólo en parte, proporciona un enorme placer. Esto hace que muchas personas en el mundo se dediquen a aprender física por puro y simple gusto. Junto con otras disciplinas como la filosofía, la historia y las artes, la física enriquece el espíritu humano, y la visión del mundo que proporciona, forma parte medular de la cultura humana. Además, la física es muy importante para otras ciencias, para las técnicas, las artes y los deportes.La física no es la única ciencia; las otras ciencias también son muy interesantes, importantes y bellas, pero la física, la más básica y general de todas, es la más simple y la más fácil de aprender; esto no significa que sea fácil de crear, pero si se explican bien sus conceptos, la física de deja comprender, entender y amar. Fundamental, general, simple, y relativamente fácil de aprender, la física tiene una profunda repercusión en el desarrollo de

la astronomía, química, las ciencias de los materiales, las ciencias de la tierra y las ciencias biológicas.La química y la física siempre han tenido relaciones íntimas; y como resultado de esas relaciones nació el estudio científico del átomo y de las moléculas. Y de aquí salió, al menos en parte, la física cuántica...La mecánica, la hidrodinámica, la óptica, la termodinámica, el electromagnetismo y la física atómica y molecular y otras partes de la física están muy relacionadas con las ciencias biológicas. La circulación de la sangre, la transmisión nerviosa, la fotosíntesis, el código genético y miles de fenómenos biológicos más necesitan a la física para poder ser entendidos.Además, todas las ciencias requieren instrumentos y éstos tienen su origen en el desarrollo de la física o en el de las técnicas, cuya raíz está en la física.En la arquitectura y en las artes visuales, el manejo de los espacios, materiales, texturas y colores están fuertemente penetrados de física.La música es un arte matemático y físico. El estudio de las vibraciones de una cuerda, o de una columna de aire, es tema de la física. La construcción de instrumentos musicales, el estudio de las resonancias, el tono, el timbre y hasta la escala musical, tienen muchísimo de física.La física también está presente en los deportes y en los juegos mecánicos, incluso el entrenamiento adecuado de los deportistas, que requiere conocimientos de anatomía y fisiología, tiene que recurrir a la física para sacar el mayor provecho de las cualidades de los atletas.La física también tiene que ver con problemas económicos, sociales y políticos, esta vinculada con todos los mecanismos y problemas de las comunicaciones y los energéticos, en fin en todas las actividades humanas tanto materiales como intelectuales, pero hay tres que destacan por la naturaleza e importancia de la relación: la historia, la filosofía y las matemáticas...

Explicitación Actividad 1.2

a) Preguntas claves de la secuencia:

b) Discusión en clase, trabajo por equipos

1- ¿La fisica tiene capacidad de explicar fenómenos?

2- ¿Tiene carácter predictivo?

3- ¿Qué tan complejo puede ser el estudio de un fenómeno?

Lectura de cualquiera de los libros siguientes, para completar la estrategía 1.1 y el panorama de la física, se te recomienda hacer algunas anotaciones que te sean de interés y puedan ayudarte posteriormente.

Hewwitt, Paul. 1999. pags. 1-9 Física conceptual. Edit. Pearson México.

Zitzewitz, Neff y Davis. Principios y problemas. 2ª. Ed. Mc Graw Hill. México. Pags. 1-9

ReestructuraciónActividad 1.3

Propósitos:Generales.Qué logres los aprendizajes que te permitan determinar “Un sistema físico”, sus componentes, los cambios en sus magnitudes, la relación entre los elementos que forman el sistema, la metodología experimental y el análisis de resultados.Particulares.Que comprendas conceptos como oscilación, periodo, frecuencia, la dependencia entre variables, como la masa del péndulo y con la longitud de la cuerda, que logres elaborar un modelo matemático sencillo y que logres contestar acertadamente las preguntas que se te iran presentado más adelante.

Preguntas claves de la secuencia:

1. - ¿A qué se refiere el carácter explicativo de la ciencia?

2. - ¿Qué significa que la ciencia tenga un carácter predictivo?

3. - ¿Qué ejemplos pueden mostrar que la fisica tiene carácter explicativo y predictivo?

4. – Indica los elementos que conforman un sistema físico

5. – ¿Qué es y como se mide el periodo “P”

6. - ¿Qué significa frecuencia?

7. - ¿Cómo se relaciona la frecuencia con el periodo?

Se te sugiere que construyas un péndulo con lata de refresco, una cuerda y tierra o arena fina para agragarla al bote o lata y así varie su masa, utiliza un cronómetro para hacer mediciones.

a) Lata vacía masa = x , longitud de la cuerda 75cm. b) Lata con tierra masa = lata + tierra, hasta 1/3 de su volumen, longitud de la cuerda

75 cm.

c) Longitud de la cuerda 50 cm. Lata vacia masa = x.

d) Masa = lata + tierra hasta 1/3 de su volumen, longitud de la cuerda 50 cm.

Desarrollo: Levanta el péndulo para que oscile, procurando sea siempre desde la misma altura y mide con un cronómetro el tiempo en segundos que tarda una oscilación, tambien cuenta el número de oscilaciones por minuto y convierte este valor en oscilaciones por cada segundo (hertz). A nota tus resultados en una tabla.

Tabla 1 para lata = 75 cm.

Periodo Frecuencia

Mı = lata vacía “x” gramos

M2 = lata + tierra hasta 1/3 de su volumen y gramos

Tabla 2 para lata = 50 cm.

periodo Frecuencia

M1 = lata vacía x gramos

M2 = lata + hasta 1/3 de su volumen “y” gramos

a) ¿Cuál es la constante (aproximada) y eso que significa, para el caso del péndulo?

b) ¿Cuál es la variable dependiente?

c) ¿Cuál es la variable independiente?

d) ¿Cómo se rrelaciona el periodo con la frecuencia?

e) ¿De entre la longitud del péndulo y la masa del mismo cual determina a la frecuencia y al periodo?

f) Intenta realizar una f´rmula (modelo matemático) para cualquier caso de péndulos simples.

- Conclusiones entregar minimo dos cuartillas, hojas blancas papel bond tamaño carta, presentación individual.

DesarrolloActividad 1.4

Dirección electronica de la “línea del tiempo de la fisica”

http://particleadventure.org/particleadventure/other/spa_history/

Analiza el documento de esta dirección y anota los hechos y fechas, que a tu juicio te parezcan más trascendentes en el desarrollo de la Física.

Pregunta clave de la secuencia:

- Escribirá su concepto de cambio

Actividad 1.5

Contesta el cuestionario:

a) Escribe sinónimos de cambio.b) Menciona ejemplos de cambios. Explica brevemente cada uno de ellos.c) Escribe algunos contra ejemplos de cambio.d) ¿Qué requieres para percibir un cambio?e) Si tu definicipon de cambio ahora es distinta que la contestada al inicio, reescribela.

PRACTICARAZONES DE CAMBIO

Objetivo1.- Comprobar la relación que existe entre dos magnitudes.2.- Determinar el efecto que una de ellas causa a la otra, cuando varia su labor.

HipótesisLa longitud del resorte varía directamente al incrementarse la fuerza que actúa sobre él.

Conceptos preliminares:Razón de cambio. Mediciones directas.

Introducción:Dentro de nuestra vida diaria existen constantes cambios en algunas magnitudes que son ocasionados por la variación de otras magnitudes y la relación entre las variaciones de dichas magnitudes se pueden reprsentar por otra magnitud que es precisamente una razón de cambio.

Materiales y equipo:- Un soporte universal con pinza- Un resorte- 5 pesas de 50 grs.- Un flexómetro

1.- Sujetar un resorte por su extremo superior a un soporte y dejar libre a su extremo inferior.

2.- Mida la longitud inicial del resorte y anótela en su tabla de datos.

3.- Cuelgue del extremo libre del resorte una pesa de 50 grs. Mida la nueva longitud del resorte y anote los cambios en su tabla de datos, tanto en el peso, como en la longitud del resorte.

4.- Repetir el paso anterior agregando una pesa de 50 grs. Cada vez.

5.- Indicar cuál de las variables resulta ser la causa y cuál es el efecto.

6.- Tabular los valores de magnitudes variables en una tabla como se muestra.

Variación de la fuerza grs. Variación de la longitud del resorte cms.

Gráficar en papel milimétrico la variación de la fuerza contra la variación de la longitud del resorte o deformación.

Calcular el cociente entre la fuerza y la deformación, llamando “K” al cociente y darle una interpretación geométrica en la gráfica.

Cuestionario:

1.- ¿Qué forma tiene la gráfica?2.- ¿Cuánto vale el cociente entre la deformación y la fuerza para todos los puntos?3.- Calcule la pendiente de la curva y el ángulo que forma la horizontal.4.- Compare los resultados de las preguntas 2 y 3 y expréselos como una ecuación matemática.5.- ¿Qué significado físico se le puede dar al cociente de la pregunta 2, haciendo énfasis en las unidades?En este punto, mencione sus conclusiones de la practica, así como sus comentarios acerca de la utilidad que le reportó esta práctica.

Actividad 1.6

Exposición de la unidad por equipo.

APLICACIÓNActividad experimental 1.7

Se preparan sistemas de estudio diferentes (elabora tu experimento) y se responde el cuestionario:

1. ¿ Cuál es el sistema en observación?2. ¿Qué magnitudes se van a observar?3. Indica la cuantificación del cambio observado.4. Indica la interacción que existe entre el sistema seleccionado y otros.5. ¿Q ué control ejerciste sobre el sistema?6. ¿Qué está cambiando?7. ¿Cuánto está cambiando?8. ¿Por qué cambió?9. ¿Qué haces para que el sistema cambie?

Conceptos:Sistema InteracciónMagnitudUnidadDefinición de cambioEnergía equilibrioControl

Cada alumno deberá entregar un reporte por escrito de la experiencia.

PROBLEMAS:

1. Del techo de una habitación de 3m. De alto, cuelga 60 cm un foco, muy pequeño. Sobre el piso, a un metro de la línea vertical que baja del foco, hay un espejo, plano, circular, de 40 cm de diámetro. Calcula el diámetro del reflejo de luz que habrá en el techo.

UNIDAD SEGUNDAFENÓMENOS MECÁNICOS (20 HRS.)

TEMAS



3 Impetu y energía mecánica


PROPÓSITOSEn esta unidad se hace énfasis en la importancia de las interacciones mecánicas como una forma de acercarse a la interpretación del mundo que nos rodea. La explicación de los fenómenos mecánicos se puede hacer en terminos de fuerzas (enfoque dinámico basado en el modelo Newtoniano) o en terminos de energía (enfoque energético).Éste último te permitira vincular esta unidad con las subsecuentes y con otras ramas de la ciencia. Se pretende que veas en las leyes de Newton y de la Gravitación Universal una síntesis de la mecánica que explica el movimiento de los cuerpos.Al término de esta unidad, deberás:

a) Reconocer la importancia de las interacciones en el estudio del movimiento.b) Conocer las leyes de Newton y de la Gravitación Universal.c) Emplear adecuadamente los conceptos relativos a la descripción y explicación de

algunos tipos de movimiento.d) Comprender que la energía permite la descripción del movimiento y sirve de eje en

el estudio de los fenómenos físicos.e) Comprender que las leyes de Newton y de la Gravitación Universal representan una

primera síntesis en el estudio del movimiento y que propoorciona soporte a la física.

TEMARIO



Impetu y energía mecánica


Los temas a desarrollar en esta segunda unidad son:

- Primera ley de Newton- Segunda ley de Newton- Tercera ley de Newton- Gravitación Universal y Síntesis Newtoniana.- Energía mecánica y trabajo.

Primera ley de Newton.

- Ejemplificar el principio de inercia, empleando los conceptos: sistema de referencia, desplazamiento, inercia, rapidez, media, posición, partícula, velocidad, aceleración, en una dimensión.

- Reconocer en un sistema las interacciones y fuerzas, aplicarás el principio de superposición de fuerzas de forma cualitativa.

- Asociar al MRU con la fuerza neta = 0 y con la inercia describirás las caracteristicas del MRU a partir de tus observaciones, mediciones y gráficas, resolveras problemas sencillos relativos al MRU.

- Definir operacionalmente el ímpetu y calcular el ímpetu de algunos objetos.

Segunda ley de Newton.

- Comprender que fuerzas no equilibradas resultan en una fuerza neta que produce cambios en el ímpetu de objetos y F= Δp/Δt

- Elaborar e interpretar gráficas de desplazamiento y de rapidez en función del tiempo, del movimiento de objetos que están bajo la acción de una fuerza constante

que actúa en la misma dirección que la velocidad v. – Describir las caractarísticas del MRUA y resolver problemas sencillos de MRUA.

- Enunciar diferencias semejantes entre MRU y MRUA.

- Reconocer que la fuerza puede provocar cambios en la dirección de la velocidad v. – Describir las caractarísticas del MCU (movimiento circular uniforme) y calcular la aceleración centrípeta y la fuerza centrípeta sobre la partícula.

- Emplear la primera y segunda leyes de Newton en la resolución de problemas sencillos y deducir, para sistemas con masa constante, la ecuación f = ma, a partir de F= Δp/Δt

Tercera ley de Newton.

- Identificar en diversos sistemas, las fuerzas de acción y reacción entre dos objetos que interactúan.

- Enunciar el principio de conservación del ímpetu y emplearlo para explicar tus observaciones sobre choques y explosiones y para calcular la velocidad de una de las partículas en dicho fenómeno.

Gravitación Universal y Síntesis Newtoniana.- Identificar a la fuerza gravitacional como una de las fundamentales y la reconocerás

como la causa de la caída libre y del movimiento celeste.

- Reconocer en las leyes de Newton y de la Gravitación Universal una primera síntesis de la mecánica.

Energía Mecanica y Trabajo.

- Asociar (relacionar) la interacción (que ocurre) entre (2 ó más) objetos, con procesos de transferencia de energía y a estós con el trabajo. Resolverás ejercicios de cálculo de enrgía mecánica, trabajo y fuerza.

- Comprender los conceptos de energía cinética y potencial y las calcularás en diversos sistemas. – Calcular la energía mecánica total de un sistema y aplicar el principio de conservación de la energía en el análisis de diferentes movimientos.

- Emplear el concepto de trabajo en la cuantificación de la transferencia de la energía.

- Conocer el concepto de potencia.

- Asociar el trabajo realizado por la fuerza de fricción con un proceso disipativo.

Contenidos tematicos:

- Inercia, sistemas de referencia y reposo.- Interacciones y fuerzas, aspecto cuantitativo.- Fuerza neta = 0, (vectores desde un punto de vista operativo, diferencia entre un

vector y un escalar). Primera ley de Newton y MRU.- Masa inercial e ímpetu.- Cambio del ímpetu y segunda ley de Newton.- Fuerza constante en la dirección del movimiento y MRUA.- Diferencias entre el MRU y MRUA.- Fuerza constante con dirección perpendicular al movimiento: MCU.- Resolución de problemas relativos al MRU, MRUA Y MCU.- Tercera ley de Newton.- Conservación del ímpetu.- Interacción gravitacional y movimiento de planetas, satélites y cometas.- Síntesis newtoniana.- Energía y tipos de energía:i) Energía cinnética.ii) Energía potencial.- Conservación de la energía mecánica.- Trabajo y transferencia de la energía mecánica y potencia.- Energía en procesos disipativos.

UNIDAD TERCERA. (30 hrs.)Fenómenos termodinamicos.

TEMAS

4 Calor y temperatura

4.1 Procesos disipativos4.2 Calor como forma de energía4.3 Temperatura4.4 Escalas termométricas absolutas4.5 Formas como se transfiere el calor: conducción, convección y radiación

5 Movimiento molecular y energía

5.1 Estructura de la materia5.2 Temperatura según la teoria cinética de los gases ideales5.3 Ecuación de estado de los gases ideales5.4 Formas de energía y mecanismos de transferencia5.5 Concepto de entropía

6 Máquinas térmicas

6.1 Motores6.2 Refrigeradores6.3 Eficiencia energética

PropósitosEn esta unidad ampliaras tus conocimientos sobre la energía y su conservación en los procesos que involucren calor y trabajo, y analizarás los factores que determinan la eficiencia de dichos procesos.La construcción de los conceptos de temperatura, equilibrio térmico, calor, cambios de fase, energía interna y sus incrementos por intercambios de calor y trabajo y la conservación de la energía en los procesos termodinámicos, con la imposibilidad de convertir el 100% del calor en trabajo, te permitirán relacionar los cambios de energía con la producción de trabajo mecánico en el hogar, la industria y el transporte, desarrolando así una conciencia en cuanto al uso eficiente de la energía.Emplearás las descripciones microscópicas para la mejor comprensión de algunos conceptos estudiados macroscópicamente, como temperatura, presión, energía interna y cambios de estado.

Al finalizar la unidad:- Comprenderás los connceptos asociados con la termodinámica, mismas que le

permitirán una explicación racional de fenómenos termodinámicos de su entorno.- Aplicarás el principio de la conservación de la energía en procesos

termodinámicos.- Comprenderás que los procesos útiles de transformación de la energía están

asociados con fenómenos de disipación energética que implica limitaciones en su aprovechamiento y por ello la importancia del uso racional de la energía.

- Conocerás la utilidad del empleo del modelo de partículas para la mejor comprensión de los fenómenos térmicos.

Los temas a desarrollar son:- Transformaciones y transferencia de la energía.- Propiedades térmicas.- Primera ley de la termodinámica.- Segunda ley de la termodinámica.

Contenidos tematicos:- Formas de energía- Fuentes primarias de energía.- Consumo de energía per capita y desarrollo social.- Calor.- Equilibrio térmico, temperatura e intercambio de energía interna.- Calores específico y latente.- Aplicaciones de las formas de calor: conducción, convección, radiación.- Conservación de la energía.- Cambios de energía interna por calor y trabajo.

- Primera ley de la termodinamica.- Máquinas térmicas y eficiencia de máquinas ideales y reales.- Esquema general de las máquinas térmicas.- Segunda ley de la termodinamica.- Entropía. Concepto relacionado con la irreversibilidad.- Fenómenos térmicos y contaminación.

UNIDAD CUARTA. (15 hrs.)Estructura de la materia y energía en el universo.

TEMAS

7 Estructura de la materia

7.1 Estructura de los átomos, núcleos y electrones7.2 Estructura de los núcleos, protones y neutrones7.3 Interacciones entre partículas elementales7.4 Equivalencia masa-energía7.5 Materia-antimateria7.6 Energía nuclear: radiactividad, fisión y fusión

8 Energía en el universo

8.1 El sol como fuente primaria de energía8.2 Origen y evolución del universo8.3 Otros fenómenos cósmicos

MODELOS ATÓMICOSANTECEDENTES

Desde tiempos muy remotos, el hombre a tratado de explicarse la naturaleza de todo cuanto le rodea. Una de las primeras respuestas la dieron los griegos.

ESCUELA GRIEGATales de Mileto (640-546 A. De J.C.), filósofo y metemático griego hizo prolongados viajes a Egipto y se cree que bajo la influencia del imponente Río Nilo, pensó que el agua constituía la materia universal.

Investiga los modelos de:

Tales de Miletos:Anaxímenes:Anaximandro:Herclito de Éfeso:Empedocles de Agrigento:

Leucipo:

Fue en el mismo siglo V cuando Demócrito de Abdera (460-370 A. De J.C., discipulo de Leucipo) propuso que la matería esta formada de átomos. Esta doctrina defiende que la materia se constituye por pequeñas partículas que ya no se pueden dividir y se llama atomismo.Modelo Atómico de Demócrito: Demócrito llamó átomos (lo indivisible) a las partículas que se obtenían de dividir a la materia hasta lograr el menor tamaño posible. Suponía que en el universo sólo existen átomos y un vació.

Aristoteles (384-322 A, de J. C.) imaginó el universo como una serie concéntrica de esferas con la tierra en el centro (concepción geocéntrica). La esfera lunar separa nuestro planeta de las esferas celestes.

El material del mundo sublunar es una mezcla de los cuatro elementos (agua, aire, fuego, y tierra). Esta forma de ver el mundo sobrevivió hasta la época de Lavoisier.

La caída de Grecia ante los romanos y posteriormente la llegada del cristianismo frenó el desarrollo de la química. Es hasta principios del siglo XIX, con John Dalton, que renace la teoría atomística de la materia.

LEYES PONDERALES

a) Ley de la conservación de la masa. (Ley de Lavoisier)b) Ley de los pesos equivalentes. (Ley de Ritcher)c) Ley de las proporciones constantes o definidas. (Ley de Proust)d) Ley de las proporciones múltiples. (Ley de Dalton)

MODELO ATÓMICO DE DALTON

John Dalton en 1803 expuso su modelo átomico basado en las leyes ponderales, conservó el termino átomo para las pequeñas partículas que forman la materia.

Los enunciados fundamentales de su modelo son:- la materia está constituida de partículas muy pequeñas llamadas átomos.- Los átomos de un mismo elemento, son iguales entre sí, principalmente en el peso.- Los átomos de un mismo elemento diferentes, son diferentes entre sí.- Cuando los átomos se combinan lo hacen en proporciones definidas de números

enteros.

La concepción del átomo de Dalton como una bola de billar sólida se vino abajo mediante los estudios de la corriente eléctrica.

ESTRUCTURA ATÓMICA EXTERNA

Podemos observar al átomo como formado por dos partes, la estrucutra interna (núcleo) donde se encuentran los protones y neutrones (nucleones) y la estrucutra externa donde están los electrones, mediante los cuales se efectúan los cambios químicos.

ELECTRÓN (PRIMERA PARTÍCULA DE LA ESTRUCUTRA ATÓMICA)

Investiga.

Comportamiento eléctrico de la materiaHistoricamente la primera partícula subatómica que se manifestó fue el electrón. Los efectos de su presencia fueron conocidos por los griegos en la electrización de la materia.Tales de Mileto observó que el ámbar de la resina natural se electrizaba al ser frotada y atraía objetos ligeros. En griego electrón se dice ámbar, de ahí el origen de la palabra electrón y electricidad.Los fenómenos eléctricos se han conocido durante mucho tiempo, por ejemplo, los rayos en una tormenta. Otros ejemplos cotidianos se observan al usar un peine de plástico y acercarlo a pedacitos de papel.

¿Qué le sucede a la materia en estos casos?¿Cuántos tipos de carga eléctrica se pueden formar al frotar dos cuerpos?¿Cómo explicas microscópicamente estas observaciones?

Experimento: Naturaleza eléctrica de la materia.Material:2 tiras de plastico vinílico (como los bolsitas que te dan en el tianguis)2 tiras delgadas de papel periódico1 bolsa de plásticoProcedimiento:

a) Toma las dos tiras de plástico y sostenlas de un extremo con alguna de tus manos y observa. Introduce tus dedos en las tiras y frotalas.

b) Repite el punto anterior sosteniendo las tiras de papel. ¿Qué observas?

Ahora cubre tu mano con la bolsa de plástico e introduce los dedos y vuelve a frotar el papel ¿qué observas?

c) Frota una tira de plástico y una tira de papel e inmediatamente acércalos ¿qué observas?

Los fenómenos de este experimento constituyen la electricidad estática y son comunes en toda la materia, por ejemplo al frotar globos. Antes de frotar, la materia es eléctricamente neutra y no existe atracción ni repulsión de algún tipo; sin embargo al frotarla se carga eléctricamente, formándose dos tipos de carga que son opuestos entre sí. Por convención la carga de plástico al frotarse con los dedos es negativa y la del papel al frotarse con el plástico es positiva.

Como el modelo de Dalton no explica la naturaleza eléctrica de la materia y los experimentos que la pusieron de manifiesto no son de frotamineto, a continuación se estudian tales experimentos y sus modelos.

Modelos electrónicos del átomo

Mecánica CuánticaLa mecánica cuántica nació a fines del siglo XIX cuando los científicos estudiaban el equilibrio entre las radiaciones electromagnéticas y la materia.

Muchos fenómenos naturales se explican si se supone que la luz se comporta como una onda, por ejemplo, la difracción de la luz y la dispersión que produce el color azul del cielo se entienden si se hace ésta suposición.

Si tenemos una caja cerrada a cierta temperatura y se produce un vació en su interior, los átomos de cada pared emiten radiación electromagnética, y al mismo tiempo absorben la radiación que emiten las otras paredes. Estas radiaciones están en equilibrio. Si se hace un orificio a una pared de la caja se observa lo siguiente: a temperaturas altas el agujero es muy brillante, y cuando la temperatura es baja, el agujero es negro, pues la radicación emitida es casi nula en la zona del espectro visible. Esta radiación se conoce como radiación del cuerpo negro.

Un cuerpo negro es un material que emite y absorbe todas las longitudes de onda del espectro electromagnético.

Estas radiaciones fueron estudiadas por los alemanes Lummer y Pringsheim en 1899. El primero en explicar el comportamiento de la radiación de cuerpo negro, fue Max Planck (1858-1947) que en diciembre de 1900 desarrolló la ley de radiación en función de la frecuencia.

Los átomos cerca del orificio, que son osciladores, sólo pueden emitir o absorber energía en una cantidad proporcional a la frecuencia por una constante.

E = h v h = 6.6262 X 10 ‾³4 Esta ecuación indica que la energía de las radiaciones electromagnéticas están en función de su frecuencia. La energía solo puede tomar los valores 0, hv, 2hv, 3hv, etc. Es decir que la energía está cuantizada. Un cuanto es un paquete de energía.

Entre 1900 y 1905 la ley de Planck no se consideró más que para explicar la radiación del cuerpo negro.

Las primeras reacciones positivas hacia la teoría cuántica empezaron a manifestarse despues de 1905, cuando Albert Einstein recurrió a consideraciones cuánticas en su interpretación del efecto fotoeléctrico.

El efecto fotoeléctrico es uno de varios procesos mediante el que puede emitirse electrones de la superficie de un metal, haciendo incidir la luz sobre la superficie del metal, en cuyo caso los electrones que salen del metal se denominan fotoelectrones (emisión fotoeléctrica).

Propiedades generales de las ondasGeneralmente cuando hablamos de movimiento, de manera natural, lo primero que nos viene a la mente es la imagen de un cuerpo en movimiento. En nuestra vida cotidiana la inmensa mayoría de los movimientos que observamos están asociados con cuerpos: camiones, animales, aviones, las ramas de los arboles, el viento, agua, nosotros mismos, etc. Sin embargo, existen otros movimientos donde lo que se traslada no son los cuerpos, aún cuando, intervienen en él cuerpos a los que llamamos “medios de transmisión”. Por ejemplo, el sonido y las imágenes provenientes de la pantalla del televisor o del cine. Podemos percibirlas por los sentidos de la vista y, del oidos pero no por el sentido del tacto, por lo que llegamos a pensar que son fenomenos incorporeos.Sí el sonido y las imágenes que llegan a nosotros fueran cuerpos recibiríamos muchos golpes; como si se tratara de piedras o palos. Sin embargo, no percibimos ni la más leve interacción de fuerzas.Existen otros movimientos iguales a los mencionados anteriormente, sólo que en ellos no es tan evidente que los cuerpos no son los que se trasladan, el de las olas en altamar o la cuerda que se utiliza para saltar. En el primero, generalmente, se piensa que se mueve el agua de mar; esta creencia se ve reforzada por el oleaje que revienta en la playa, donde se puede observar el ir y venir del liquido salobre. En el segundo caso, si suponemos que la cuerda esta sujeta de un extremo y tiramos de ella por el otro extremo, observamos el desplazamiento de la “joroba” a través de la cuerda. Pero no es difícil percatarse que no es el medio lo que se está transladando.1. En una tina con agua coloca un barco de papel y produce un oleaje con la mano. ¿El barco se desplaza?2. Anuda un lazito a mitad de la cuerda y tira de la cuerda, arriba y abajo. ¿Se desplaza el lazito?A los movimientos donde lo que se traslada no es el medio sino la perturbación que se produce en él se le conoce como: Movimientos Ondulatorios Mecánicos. El término mecánico se utiliza para distinguirlo de otros tipos de movimientos ondulatorios los cuales no necesitan de un medio para transmitirse como la luz.En el caso del sonido, la necesidad de un medio de transmision como el aire o el agua es muy evidente, pues el sonido no se propaga en el vacio, la demostración de este hecho cientifico, se realiza colocando un timbre dentro de una campana de vacio; conforme se extrae el aire el sonido se va extinguiendo hasta que desaparece esto cuando el vacio es total.

Magnitudes del movimiento ondulatorioPara estudiar cualquier fenómeno, es necesario caracterizarlo (modelo), y definirlo a través de unos cuantos conceptos, que resuman las características fundamentales del fenómeno y

lo hagan de manera unívoca. Para estudiar el movimiento mecánico utilizaremos una cuerda.

a)

b)Fig. 1 Pulso generado por una cuerda.

En la fig. 1.a) observamos que la cuerda estirada forma una línea recta, en estas condiciones se dice que está en equilibrio, ya que ante cualquier cambio perpendicular a ella, en cualquier dirección, siempre retorna a esta posición.

Cuando movemos uno de los extremos de la cuerda hacemos que una parte de la cuerda salga de ese equilibrio, fig. (1. b), decimos que el sistema se ha perturbado o que hemos generado una perturbación en él, la “Joroba”, recibe el nombre de pulso.

El pulso no puede mantenerse en el mismo lugar en que se generó, y tiende a moverse a una posición aledaña en la medida que la parte perturbada arrastra a la contigua. Cuando deja de actuar el agente que provoca la perturbación (la persona que la mueve) el extremo de la cuerda regresa a su posición inicial y en forma sucesiva lo van haciendo las demás partes de la cuerda.

V

A Δx

λ

Fig. 2 Movimiento de un pulso.

El pulso podemos describirlo por su “tamaño”, el tiempo que dura y la rapidez con que se mueve, el “tamaño”, a su vez, por el ancho y la altura, estas son las variables que describen el pulso y se les denomina: Altura del pulso= Amplitud (A); Longitud de la onda o del

pulso= Longitud (λ); Periodo (T) al tiempo que dura el pulso. Con estas tres variables y la rapidez (v) con que se traslada el pulso queda descristo de manera inequívoca.

Contesta las siguientes preguntas: 1.- Describa algún fenómeno natural que nos permita afirmar que la luz viaja en línea recta.2.- Explicá la razón de que podamos vernos los pies en un espejo que no llega hasta el piso.3.- Indicá la razón de porqué un objeto sea obscuro, incluso bajo iluminación.4.- Indica la característica que hace de una superficie un espejo.5.- Explica la diferencia ótica entre un objeto transparente y uno opaco.6.- Indica la razón por la que un hombre invisible sería ciego.7.- Proponga un argumento observacional que nos permita manejar la luz como un conglomerado corpuscular.8.- Escriba un experimento que nos permita observar las leyes de Herón.9.- Un rayo de luz incide sobre una superficie lisa y brillante, reflejandose. Indicá la relación que veremos entre los pangulos del haz incidente y el rayo reflejado.10.- Describa el efecto óptico conocido como refracción.11.- Explica el fenómeno natural que constituye a la ley de Snell.12.- Proponga un experimento que nos permita medir la velocidad de la luz.13.- Si está de acuerdo en que la luz es una onda, explicá cuál es el medio en que se propaga.14.- Describe un experimento que nos permita medir la velocidad de la luz.15.- Explica el procedimiento seguido por Roemer para medir c (la velocidad de la luz). Usando los satelites de Jípiter. Indica los datos que debemos conocer previamente.16.- Describe el procedimiento seguido por Fizau para establecer c (la velocidad de la luz). Indica los datos que se deben medir en el experimento.17.- Proponga un experimento que nos permita observar la difracción óptica.18.- Dé un argumento para el hecho de que los fenómenos de difracción sean poco apreciables en la vida cotidiana.19.- Un rayo de luz viaja por el interior de una barra de vidrio hacia el aire exterior. Incidiendo en la superficie intermedia en forma normal, el haz se va inclinando. Describa lo que pasará con el rayo emergente conforme el haz interior alcanza el llamado ángulo critico.20.- Indica en qué consiste el fenomeno llamado birrefrigerancia.21.- Describa un modelo mecánico que nos permita visualizar la polarización de una onda en una cuerda.22.- Explica lo que llamamos polarización de la luz.23.- El vendedor observó los anteojos oscuros que me gustaron y dijo: -Esos son los caros porque están polarizados. ¿Cómo puedo, en ese momento, verificar tal información?24.- Llevo puestos mis anteojos polarizados al subir al microbus. Los vidrios de la unidad son oscuros. ¿Qué debo hacer para saber si los vidrios están polarizados o simplemente son obscuros?25.- Hago pasar la luz de mi lámpara sorda a través de una mica polarizadora. Unos pocos centímetros más adelante, hay una segunda mica polarizadora, paralela a la primera, de

suerte que la luz de la lámpara también la cruza. ¿ Qué pasará con la luz final si giro alguna de las micas con el rayo como eje de giro?26.- Explica la razón de que se forme un patrón de franjas brillantes y obscuras, cuando tenemos dos fuentes de luz separadas una pequeña distancia.27.- Describe el significado fisico de cada uno de los términos en la aproximación geométrica para la interferencia de Young

Y = m (bλ / a)

BIBLIOGRAFÍA

Física y otras cosas (Como acercarse a la física, Juan Manuel Lozano, Noriega editores, 1995).

Hewwitt, Paul. 1999. pags. 1-9 Física conceptual. Edit. Pearson México.

Zitzewitz, Neff y Davis. Principios y problemas. 2ª. Ed. Mc Graw Hill. México. Pags. 1-9

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Manual de practicas para el curso de física uno, del programa vigente del CCH. José de Jesús Piña Velasca, Victor Aranda Ochoa, Juan Carlos Cabrera Moreira, Pablo Ruiz Robles, José Augusto Mena Lizama. Coordinador: José Augusto Mena Lizama. Mayo-Octubre de 2002. CCH Azcapotzalco.

Química 1, Química inorgánica. Un curso teórico práctico. Ing. Leopoldo Ramírez Gómez.

fisica uno

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