Prueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com EXMENES DE ACCESO A GRADO SUPERIOR: TEORA DE FSICATeora de la Asignatura de Fsica(Pgina 1 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com TEMA 1.- INTERACCIN GRAVITATORIA.La gravedad es la fuerza de atraccin mutua que experimentan dos objetos con masa. Se trata de una de las cuatro fuerzas fundamentales (interaccin gravitatoria, electromagntica, nuclear fuerte y nucleardbil)observadashastael momentoenla naturaleza.Elefecto de lafuerzade gravedad sobre un cuerpo suele asociarse en lenguaje cotidiano al concepto de peso.La interaccin gravitatoria es la responsable de los movimientos a gran escala en todo el Universoy hace, porejemplo, quelos planetasdelSistema Solar siganrbitaspredeterminadas alrededor del Sol.IsaacNewtonfuelaprimerapersonaendarsecuentadequelafuerzaquehacequelos objetos caigan con aceleracin constante en la Tierra y la fuerza que mantiene en movimiento los planetasylasestrellaseslamisma, yal sedebelaprimerateorageneral delagravitacin, expuesta en su obra Philosophiae Naturalis Principia Mathematica.1.1.- Ley de Gravitacin Universal de Newton.LaLeydelaGravitacinUniversaldeNewton establece que la fuerzaque ejerce unapartcula puntual conmasam1sobreotraconmasam2esdirectamenteproporcional al productodelas masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa: siendo el vector unitario que va de la partcula 1 a la 2, y donde G es la Constante de gravitacin universal, con valor 6,67 10-11 Nm/kg.1.2.- Aceleracin de la Gravedad.Segn las leyes de Newton, toda fuerza ejercida sobre un cuerpo le imprime una aceleracin. En presencia de un campo gravitatorio, todo cuerpo se ve sometido a la fuerza de la gravedad, y la aceleracin que imprime esta fuerza, o aceleracin de la gravedad, se representa por la letra g. De este modo, todo cuerpo que se somete a la libre influencia de un campo gravitatorio (es decir, sin otras fuerzas que interfieran, como el rozamiento) se mover con velocidad creciente hacia la masa que genera el campo.El valor deg dependede la fuerza gravitatoria en cada punto del campo, y se denomina intensidaddel campogravitatorio. EnlasuperficiedelaTierragtieneunvalorde9,8m/s2, aunque desciende su valor cuando aumenta la altura, segn el cuadrado de sta.Antes de Galileo Galilei se crea que un cuerpo pesado cae ms deprisa que otro de menos peso, peroestonoescierto, amboslleganal sueloal mismotiempo(siempre, enausenciade rozamiento). Para atestiguar esto, segn cuenta una leyenda, Galileo subi a la Torre inclinada de Pisa y arroj dos objetos de masa diferente para demostrar que el tiempo de cada libre era, virtualmente, Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 2 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com el mismo para ambos. En realidad se cree haca rodar cuerpos en planos inclinados y as meda de forma ms precisa la aceleracin.1.3.- Principio de Superposicin.Como ley bsica adicional, no deducible de la ley de gravitacin universal, se encuentra el Principio de Superposicin: la fuerza total ejercida sobre una masa mpor un conjunto de masas ser igual a la suma vectorial de cada una de las fuerzas ejercidas por cada masa sobre la masa m.Esta propiedad, pese a que estamos acostumbrados a ella, no deja de ser sorprendente. De alguna forma, la perturbacin que se crea en el espacio y que logra que los cuerpos se atraigan, es independiente de si ya existe otra perturbacin creada por otros cuerpos, y simplemente se suman sus resultados respectivos para formar el total.Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 3 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com TEMA 2.- INTERACCIN ELECTROMAGNTICA.La interaccin electromgnetica es la interaccin que ocurre entre las partculas con carga elctrica. Suele separarse en 2 tipo de interacciones: Interaccin electrosttica: acta sobre 2 cuerpos cargados en reposo. Interaccin magntica: acta solamente sobre cargas en movimiento.2.1.- Interaccin Electrosttica (Ley de Coulomb).La interaccin electrosttica, o fuerza elctrica, es la responsable de la atraccin o repulsin entre objetos con carga elctrica. Establece que dos cargas del mismo signo se repelen, mientras que dos cargas de signos opuestos se atraen. En el siglo XVIII, el fsico francs Coulomb demostr que la intensidad de la fuerza de atraccin o repulsin entre dos cargas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. La constante de proporcionalidad solamente depende del medio en el que se encuentran las cargas. La direccindelafuerzaesla delarectaque une ambas cargas. Esta llamadaley de Coulomb,se puede escribir como Representacin grfica de la Ley de Coulomb para dos cargas del mismo signo.2.1.1.- Principio de Superposicin.Como ley bsica adicional, no deducible de la ley de Coulomb, se encuentra el Principio de Superposicin: lafuerzatotal ejercidasobreunacargaelctrica qpor unconjuntodecargas serigualala suma vectorial de cada una de las fuerzas ejercidas porcada carga sobre la carga q.Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 4 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com 2.1.2.- ComparacinentrelaLeydeCoulombylaLeydelaGravitacin Universal.La ley de la gravitacin universal de Newton establece que la fuerza de atraccin entre dos masasesdirectamenteproporcional al productodelasmismaseinversamenteproporcional al cuadrado de la distancia que las separa.Expresndolo matemticamente: siendo G la constante de gravitacin universal, m1 y m2las masas de los cuerpos en cuestin y r la la distancia entre los centros de las masas. G valeNm2 / kg2 .Porotrolado, laleydeCoulombestablecequelaintensidad de la fuerza de atraccin o repulsin entre dos cargas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa A pesar del chocante parecido en las expresiones de ambas leyes se encuentran varias diferencias: Elcampo gravitatorio es universal: existe para todos los cuerpos. El campo elctrico slo existe cuando los cuerpos poseen carga elctrica. En el caso de la gravedad no se han podido observar masas de diferente signo como sucede en el caso de las cargas elctricas, y por tanto, la fuerza entre masas siempre es atractiva. rdenesdemagnituddelafuerzadegravedadydelafuerzaelctrica: laconstantede gravitacin universal G vale 6,6710 -11Nm2 / kg2 (muy pequea), mientras que la constante k (constante de Coulomb) vale 910 9 Nm2 / C2 (10 20 veces ms grande que G). Esto indica que la fuerza elctrosttica o elctrica es mucho mayor en magnitud que la gravitatoria. Estohacequeenel estudiodelos fenmenos elctricos los efectos gravitatorios sean despreciables. Si esto es as, por qu no se observan en la naturaleza demostraciones de grandes fuerzas elctricas? La respuesta es que en la naturaleza, en general, no se acumula la cargan en un punto, sino que la materia tiende a la neutralidad elctrica (carga 0). Una masa, est en reposo o en movimiento, siempre crea un campo gravitatorio. En cambio una carga en reposo crea un campo elctrico, pero si est en movimiento, adems de campo elctrico, tambin crea campo magntico.2.2.- Interaccin Magntica.Seobservaexperimentalmentequeunimncreaunazonadeinfluenciaasualrededor quese manifiesta por la orientacin que adquieren las limaduras de hierro espolvoreadas entorno suyo. A estazonadeinfluenciageneradapor unimnseladenominacampomagntico, ysedefine mediante una magnitud representativa denominada induccin magntica (su unidad es el Tesla).En un imn se distinguen dos polos magnticos, (norte y sur) que representan la propiedad de repelerse si son de la misma polaridad y de atraerse si son de polaridad distinta. Por convenio se Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 5 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com admite que las lneas de campo salen del polo norte y entran por el polo sur del imn.2.2.1.- Accin de un Campo Magntico sobre una Carga en Movimiento: Ley de Lorentz.Cuando una partcula concarga qincide enuncampo magntico de induccin conuna velocidad acta sobre ella una fuerza (fuerza de Lorentz):F=q(vB)Esta fuerza tiene varias caractersticas: Slo acta sobre partculas cargadas, si q = 0, F = 0. Existe slo si la partcula est movindose, si v = 0, F = 0. Siempre es perpendicular a la trayectoria (velocidad) y al campo magntico (B): su direccin y sentido viene determinada por la regla del sacacorchos o de la mano derecha.El hecho de que esta fuerza acte siempre perpendicularmente a la velocidad, implica que la fuerza se comporte como una fuerza centrpeta (fuerza necesaria para que se produzca una curvatura en la trayectoria). Como consecuencia, si una partcula cargada penetra movindose dentro de un campo magntico,dichapartculadescribirunacircunferencia, quedandoatrapadadentrodel campo magntico. El radio de giro se puede obtener igualando la expresin de la fuerza centrpeta a la de la fuerza magntica:qvB=mv2R- R=mvqB2.2.2.- Ley de Induccin de Faraday y Ley de Lenz.Si uno conecta un galvanmetro (aparato que seala el paso o no e una corriente elctrica) a una bobina de conductor, sin nada ms, el galvanmetro no deber sealar nada: por all no circula corriente de ningn tipo. Pero ahora bien, al acercar o alejar un imn de la bobina descubriremos un hechosorprendente: el galvanmetro marcara una tenue corriente durante este proceso. Esta experiencia, similar a las llamadas experiencias de Faraday, demuestra claramente que existe una relacin entre el campo magntico y el elctrico. Sienlaexperienciaanteriorunoacercaunimnalabobinaylodejaah veraqueel galvanmetro marca corriente mientras el imn se mueve, pero no cuando le dejamos quieto. Este fenmeno constituye la esencia de la ley de Induccin de Faraday, que podemos ya enunciar: =ddtsiendo =BS=BScos 0el flujo magntico que atraviesa el conductor (se mide en Wb, weber), y es la fuerza electromotriz inducida (f.e.m., se mide en v, voltios). Adems, es el ngulo que forman el vector campo magnticoB, y el vector perpendicular a la superficie S.Esta frmula indicaquecualquier variacindel flujomagnticoatravs delaespiraproducirunaf.e.m. inducida en su interior; dicha variacin de flujo puede ser producida, 3 causas: Uncambio en el mdulodel vector campo magntico Btambin conocido como intensidad de campo magntico. Una variacin del tamao de la superficie S.Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 6 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com Un cambio en el ngulo que forman los vectoresByS: este mtodo es el utilizado industrialmente entodaslas centrales generadoras de corriente elctrica, ya que una gran bobina (conductor,S) gira en torno a unos grandes imanes (B), y asi se consigue que el ngulo cambie contnuamente y la correspondiente f.e.m. Inducida. Debido a este mtodo de produccin de corriente, se consigue una corriente de sentido cambiante, conocida como corriente alterna.De la frmula de la ley de induccin de Faraday, hemos ignorado un pequeo detalles que es el signo - que aparece en ella. Qu significa este signo negativo?: aunque no se utilice a la hora de realizar operaciones, estesigno negativo constituye la llamadaLey de Lenz, que concierneal sentido de la corriente elctrica inducida, y se puede enunciar: El sentido de la corriente inducida-predicha por la ley de induccin de Faraday- es tal que tiende a oponerse al cambio que la produce.Por ejemplo, si la corriente es producida por una disminucin del flujo magntico, dicha corriente inducida tendr un sentido tal que tratar de crear un campo que aumente dicho flujo magntico (favoreciendoal campomagnticoinicial). Por contra, si laf.e.m. Inducidasegenerapor un aumentodelflujomagntico, elsentido de la corriente inducida ser tal que tratar de crear un campo magntico que disminuya el flujo magntico (oponindose al campo magntico inicial).Esta ley de Lenz es, en cierta forma, un mecanismo de inerciaque, en general, presentan todos los sistemas fsicos.2.2.4.- Diferencias entre el Campo Elctrico y el Campo Magntico.Existen algunas diferencias dignas de mencin: El campo elctrico es conservativo, mientras que el magntico no lo es. En el campo elctrico existen cargas positivas y negativas, pero en el campo magntico no existen monopolos magnticos aislados (cualquier imn siempre tiene un norte y un sur, y si lo partimos por la mitad, aparecen dos imanes, cada uno de ellos con norte-sur). Las cargas en reposo slo originan campos elctricos; en cambio, las cargas en movimiento originan campo elctrico y adems magntico. Ambos campos son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia, pero mientras que el campoelctrico es radial, el campomagntico es siempre perpendicular alas direcciones radial y de movimiento de la carga.Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 7 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com TEMA 3.- INTERACCIN NUCLEAR.3.1.- El Ncleo Atmico.Como se mencion anteriormente, el ncleo del tomo se encuentra formado por nucleones, los cuales pueden ser de dos clases: Protones : Partcula de carga elctrica positiva igual a una carga elemental (+ 1,6 10-19 C) y una masa de 1,6726 10-27 Kg . Neutrones : Partculas carentes de carga elctrica y una masa de 1,672x10-27 Kg. El ncleo ms sencillo es el del hidrgeno, formado nicamente por un protn. El ncleo del siguienteelementoenlatablaperidica, el helio,se encuentra formadopordosprotonesydos neutrones. Lacantidaddeprotonescontenidasenelncleodel tomoseconocecomonmero atmico, el cual se representa por la letra Z y se escribe en la parte inferior izquierda del smbolo qumico.Es el que distingue a un elemento qumico de otro. Segn lo descrito anteriormente, el nmero atmico del hidrgeno es 1 (1H ), y el del helio, 2 (2He ).Lacantidadtotal denucleonesquecontieneuntomoseconocecomonmeromsico, representado por la letra A y escrito en la parte superior izquierda del smbolo qumico. Para los ejemplos dados anteriormente, el nmero msico del hidrgeno es 1 (1H ), y el del helio, 4 (4He).Existentambintomos que tienenel mismonmeroatmico, perodiferente nmero msico, los cuales se conocen comoistopos. Por ejemplo, existen 3 istopos naturales del hidrgeno, el protio (1H ), el deuterio (2H ) y el tritio (3H ). Todos poseen las mismas propiedades qumicas del hidrgeno, y pueden ser diferenciados nicamente por ciertas propiedades fsicas.Otros trminos menos utilizados relacionados con la estructura nuclear son los istonos, que sontomosconelmismonmerodeneutrones. Losisbarossontomosquetienenel mismo nmero msico.Debido a que los protones tienen carga positiva existe una fuerza de repulsin entre s como consecuencia de la interaccin electrosttica; sin embargo, el ncleo del tomo mantiene su cohesindebidoalaexistenciadeotrafuerzademayor magnitud, aunquedemenor alcance conocida como la interaccin nuclear fuerte.3.2.- Interaccin Nuclear Fuerte.Lainteraccinnuclear fuerteesunodeloscuatrotiposdefuerzafundamentalesqueel modelo estandar de la Fsica establece para explicar el Universo.Los efectos de esta fuerza slo se aprecian a distancias muy pequeas,(del orden de 1 fm, 10-15 m),y no se perciben para distancias mayores a 10-15 m. Es la fuerza que mantiene unidos a los nucleones (partculas nucleares, protn y neutrn) en el ncleo atmico, a pesar de la repulsin electromagntica entre partculas cargadas del mismo signo.Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 8 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com 3.3.- Defecto de Masa y Energa de Enlace.AprincipiosdelsigloXX, en1905, un cientfico prcticamente desconocido hasta aquel momento llamada Albert Einstein public un artculo que vendra a revolucionar la fsica de esa poca. En este artculo denominado Teora de la Relatividad Especial, entre otras cosas, demostr que la Energa y la Masa (magnitudes anteriormente independientes) eran equivalentes yse relacionaban a travs de una de las ecuaciones ms famosas de la ciencia:E=m c2siendo c la velocidad de la luz en el vaco, que es una constante cuyo valor esc=3 108m/ s, m es la masa medida en Kg y E es la energa medida en J.Se define elDefectodeMasa(M) en los ncleos atmicos como la diferencia entresu masa medida experimentalmente y la indicada por su nmero msico A. El clculo de esta magnitud se realiza mediante la diferencia entre la suma de las masas de sus nucleones constituyentes y la masa obtenida experimentalmente de todo el ncleo:AM=Z mp+( AZ) mnM ( XA)siendo Z el nmero atmico o nmero de protones y A el nmero msico, o nmero de nucleones. As, A-Z representa el nmero de neutrones del ncleo.Relacionadaconel defectodemasa, seencuentralallamadaEnergadeEnlace, quese define como la energa que se emite cuando se forma el ncleo atmico, o la energa necesaria para separar el tomo en sus nucleones independientes. Ambas magnitudes estn relacionadas a travs de la ecuacin (que es una aplicacin de la ecuacin de Einstein):E=AM c2Tambin se define la Energa de Enlace por Nuclen:E=AM c2A3.4.- Radiactividad: Interaccin Nuclear Dbil.La radiactividad o radioactividad es un fenmeno fsico natural, por el cual algunas sustancias o elementos qumicos llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas fotogrficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a laluzordinaria, etc. Debidoaesacapacidadselassueledenominar radiacionesionizantes(en contraste con las no ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnticas en forma de rayos Xorayos gamma, obienpartculas, comopuedenser ncleos de Helio, electrones o positrones, protones u otras.La radiactividad consiste en que casi todos los istopos de todos los elementos qumicos son "inestables", esdecir, semantienenenunestadoexcitado, yaseaensuscapaselectrnicas o nucleares, con lo que para alcanzar su estado fundamental deben perder energa, y lo hacen bien en formadeemisiones electromagnticas obienenemisiones departculas conunadeterminada energa cintica. Esto se produce variando de energa de sus electrones (emitiendo Rayos X), sus nucleones (rayogamma) ovariandoel istopo(al emitir neutrones, protonesopartculas ms pesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un istopo pesado puede terminar convirtindose en uno mucho ms ligero, como el Uranio que con el transcurrir de los siglos acaba convirtindose en plomo.Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 9 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com Es aprovechada para la obtencindeenerga (centrales nucleares), usada enmedicina (radioterapia y radiodiagnstico) y en aplicaciones industriales (medidas de espesores y densidades entre otras).La radiactividad puede ser: Radiactividad natural : Manifestada por los istopos que se encuentran en la naturaleza. Radiactividad artificial o inducida : Manifestada por radioistopos producidos en transformaciones artificiales. La Interaccin Nuclear Dbil es la ltima de las 4 fuerzas fundamentales descubierta y es la responsable de ciertos tipos de radiactividad natural. En los aos 30 del siglo pasado, cuando los fsicos que estudiaban la radiacin emitida por los tomos se dieron cuenta que, en ciertos casos, el ncleo del tomo emita electrones.El fenmeno se debe a que, a veces, un neutrn del ncleo se transforma en un protn y un electrn. El electrn termina escapando del ncleo, pero al medir sus propiedades se descubre que falta cierta cantidad de energa.Se propuso una nueva clase de partcula para explicar este fenmeno, una partcula que se llevala energaquefalta, sincarga, invisibleyala cuallas fuerzaselctricasymagnticasno afectan. El fsico italiano Enrico Fermi le llam Neutrino.3.5.- Energa nuclear: Fusin y Fisin nuclear.La energa nuclear es aquella que resulta del aprovechamiento de la capacidad que tienen algunosistoposdeciertoselementos qumicospara experimentar reaccionesnuclearesyemitir energa en la transformacin. Una reaccin nuclear consiste en la modificacin de la composicin del ncleo atmico de un elemento, que muta y pasa a ser otro elemento como consecuencia del proceso. Este proceso se da espontneamente entre algunos elementos (radiactividad natural) y en ocasiones puede provocarse mediante tcnicas como el bombardeo neutrnico u otras (radiactividad artificial).Existendosformasdeaprovecharlaenerganuclearparaconvertirlaencalor, laFisin Nuclear, en la que un ncleo atmico se subdivide en dos o ms grupos de partculas y la Fusin Nuclear, enlaquealmenosdosncleosatmicosseunenparadarlugaraotrodiferentems grande.3.5.1.- La Fisin Nuclear.La fisin nuclear del Uranio es la principal aplicacin prctica civil de la Energa Nuclear, y se emplea en cientos de centrales nucleares en todo el mundo.Tiene como principal ventaja que no utiliza combustibles fsiles con lo que no emite a la atmsfera gases txicos o de efecto invernadero. Esto es importante en el momento actual debido a los protocolos de Kioto que se aplican en Europa, obligando a pagar una tasa por cada tonelada de CO2 emitido, estrategia seguida para evitar el calentamiento global.Histricamente las centrales nucleares fueran diseadas con un uso militar, consiguiendo la fabricacindel plutonionecesarioparafabricar bombasdeimplosincomolabombaatmica lanzada sobre Nagasaki. Ms tarde se comprob que el plutonio fisible generado poda ser utilizado asuvezcomocombustibledefisin, aumentandoenormementelaeficienciadelas centrales nucleares yreduciendo as unode los problemas delas mismas. Comocualquier aplicacin industrial humana, las aplicaciones nucleares generan residuos, algunos muy peligrosos. Sin Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 10 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com embargolosgeneranenvolmenesmuypequeoscomparadosconotrasaplicaciones, comola industria petroqumica, y de forma muy controlada. Los residuos ms peligrosos generados en la fisin nuclear son las barras de combustible, en las que se generan istopos que pueden permanecer radiactivos a lo largo de miles de aos.Existen, sinembargo, estrategias paratratar el problemadelosresiduosdeformams eficiente, siendo una de las cuales los nuevos diseos de centrales nucleares de nueva generacin (Sistemas Asistidos por Aceleradores o ADS en ingls) usando Torio como combustible adicional quedegradanlos desechos nucleares enunnuevociclodefisinasistidaypasancomouna alternativa viable para las necesidades energticas de la poblacin ante la dependencia del petrleo, aunque debern vencer el rechazo de la poblacin El tratamiento de los combustibles de fisin, en cualquier caso pasa por el almacenamiento de los residuos que no pudieran ser eliminados en cuevas profundas, los llamados Almacenamientos Geolgicos Profundos (AGP) dondeel objetivofinal es quequedenenterrados conseguridad durante varios miles de aos aunque esto no puede garantizarse. 3.5.2.- La Fusin Nuclear.El empleo pacfico o civil de la energa de fusin est en fase experimental, existiendo dudas sobre su viabilidad tcnica y econmica.La fusin es otra de las energas nucleares posibles, siendo estudiada en estos momentos la viabilidad de su aplicacin en centrales de produccin elcrica como el ITER, el NIF u otras. Esta posibilidadprometeser laopcinmseficienteylimpiadelasconocidaspor el hombrepara generar electricidad. Sin embargo aun faltan varios aos para poder ser utilizadas.El principioenel quesebasaes juntar suficientemente ncleos deDeuterioyTritio (istopos de Hidrgeno) mediante presin o calor hasta lograr un estado llamado plasma (tambin conocido como 4 estado de la materia). En dicho estado, los tomos se disgregan y los ncleos de hidrgeno pueden chocar y fusionarse obteniendo Helio. La diferencia de masa entre dos ncleos de Deuterio y uno de Helio se emite en forma de energa que servir para mantener el estado de plasma y para la obtencin de energa.La principal dificultad consiste en confinar una masa de materia en estado de plasma ya que no hayrecipientecapazdeaguantar dichas temperaturas.Para ello se recurrir al confinamiento magntico, pudiendo usar tambin el confinamiento inercial.ElproyectoITERpretendeconstruirunacentral experimental defusinycomprobarsu viabilidad econmica. El proyecto NIF pretende lo mismo en Estados Unidos usando el confinamiento inercial estando en una fase mucho ms avanzada que ITER.3.6.- Unificacin de las 4 Interacciones Fundamentales.Las 4 interacciones fundamentales que se conocen en la actualidad son: Interaccin gravitatoria: Es la primera que se conoce, ya desde tiempos remotos, ms que nadaporquesuefectoesevidente, slohayquelanzarseporlaventanaparaapreciarla, aunque hay maneras menos peligrosas de experimentarla. Es la ms dbil de las cuatro y tiene un alcance infinito. Interaccinnuclear dbil : Eslaresponsabledeladesintegracindepartculasyncleos atmicosenlosfenmenosradioactivos. Apesar desunombre, esmenosdbil quela anterior, y cuenta con un alcance muy limitado, de millonsimas de milmetro. Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 11 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com Interaccin electromagntica : Se manifiesta tanto a corta escala, por ejemplo entre protones y electrones, como a largas distancias, en la propagacin de la luz, ondas de radio, etc. Es la segunda ms fuerte y su alcance es infinito. Interaccin nuclear fuerte : Es la responsable de que los quarks se unan formando protones y neutronesydequeestosseacoplenenel ncleoatmico. Estasquehacehonorasu nombre y es la ms fuerte de las cuatro, pero su alcance slo es ligeramente superior al de la nuclear dbil.Una unificacin de interaccionesse produce cuando se demuestra que lo antes se pensaba eran 2 interacciones diferentes, se comprueba que realmente son las misma interaccin. A lo largo de la historia, en la ciencia, se han producido 2 unificaciones y se persigue conseguir la llamada Teora del Todo, en la que se unificaran todas las interacciones conocidas:1. La primera unificacinse produjo en el siglo XVII cuando Isaac Newton demostr que la fuerza que haca caer a los objetos era la misma que haca moverse a los astros en el cielo. Dicha teora sellamGravitacin Universal. Posteriormente, Albert Einstenen1916, presentunasecuacionesmejoradasdeestafuerzaenlallamadaTeoraGeneral dela Relatividad. La importancia de la primera unificacin estriba en el hecho de relacionar lo que pasaba en la tierra con la esfera celeste, que haba sido hasta aquella poca smbolo de divinidad y de la creacin perfecta de Dis.2. La segunda unficacin: hacia principios del siglo XIX se conocan 3 fuerzas bsicas, que eranlagravitatoria, laelctricaylamagntica. Sedescubriqueunacorrienteelctrica desviabalaagujadeunabrjula; adems, Faradaydemostrexperimentalmentequeun campo magntico variable poda generar corriente elcrica (ley de induccin de Faraday). Pero fu James Maxwell el que unific las fuerzas elctrica y magntica en unas ecuaciones; desde entonces se habla de una sola interaccin llamada Electromagntica.3. En el siglo XX, con la llegada de la Mecnica cuntica, se produjo una gran revolucin en el intento de describir las fuerzas. En la actualidad prcticamente se ha producido la unificacin de la fuerza nuclear dbil con la fuerza electromagntica, en la llamada Fuerza Electrodbil. Por el momento, lafuerzacuyaspropiedadessonmsdiferentesyquese resiste msalaunificacin esla fuerza de la gravedad, aunque en los ltimos aos han aparecido teoras como la de Cuerdas o de las P-branas.Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 12 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com TEMA 4.- VIBRACIONES Y ONDAS.Nota.- Debido a que las propiedades de las ondas reflexin, refraccin y difraccin aparecen en el tema 4 y 5 (la luz), y teniendo en cuenta que la luz tambin es una onda, dichas propiedades slo se tratarn en este tema para no duplicar la informacin.4.1.- Reflexin de una onda.Es el fenmenoporelcualuna onda queincidesobreunasuperficie esreflejada. Enla reflexin se cumplen: Cada rayo de la onda incidente y el correspondiente rayo de la onda reflejada forman un plano perpendicular al plano de separacin de los medios. El ngulo que forma el rayo incidente con la recta normal a la frontera (ngulo de incidencia) es igual al ngulo de esta normal con el rayo reflejado (ngulo de reflexin). 4.2.- Refraccin de una onda.Se define el ndice de refraccin de un medio al cociente de la velocidad de la luz en el vaco y la velocidad de la luz en el medio cuyo ndice se calcula. Se simboliza con la letran y se trata de un valor adimensional.n=cvdonde c=3 108m/ ses la velocidad de la luz en el vaco y v velocidad de la luz en el medio cuyo ndice se calcula (agua, vidrio, etc.). El ndice de refraccin del aire es de 1.00029, pero para efectos prcticos se considera como 1, ya que la velocidad de la luz en ste medio es muy cercana a la del vaco.Paralaluz, seproducecuandolaluzpasadeunmediodepropagacinaotroconuna densidad ptica diferente, sufriendo un cambio de velocidad y un cambio de direccin si no incide perpendicularmente en la superficie. Esta desviacin en la direccin de propagacin se explica por medio de la ley de Snell:ni seno=nr sendonde es el ngulo incidente, es el ngulo refractado, y ni, nr son los ndices de refraccin del medio incidente y del medio refractado, respectivamente. (Ver figura en pgina siguiente).Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 13 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com Esta ley, as como la refraccin en medios no homogneos, son consecuencia del principio de Fermat, que indica que la luz se propaga entre dos puntos siguiendo la trayectoria de recorrido ptico de menor tiempo.Por otro lado, la velocidad de propagacin de la luz en un medio distinto del vaco est en relacin con la longitud de la onda y, cuando un haz de luz blanca pasa de un medio a otro, cada color sufreunaligeradesviacin. Estefenmenoes conocidocomodispersindelaluz. Por ejemplo, al llegar a un medio ms denso, las ondas ms cortas (mayor frecuencia) pierden velocidad sobre las largas (ej: cuando la luz blanca atraviesa un prisma). Las longitudes de onda corta son hasta 4 veces ms dispersadas que las largas lo cual explica que el cielo se vea azulado, ya que para esa gama de colores el ndice de refraccin es mayor y se dispersa ms. Este diferente ngulo de refraccin para cada una de las frecuencias de la luz (colores), explica tambin la formacin del arco iris cuando la luz se refracta en las gotas de lluvia o en un prisma de vidrio.En general, cuando la luz llega a un medio, parte de esta pasa al medio (refraccin) y la otra parte serefleja (reflexin), aunqueexistenunas condiciones bajolas cuales laluz serefleja totalmente. Este fenmeno se conoce con el nombre de Reflexin Total: se produce cuando un rayo deluztrata deatravesardesdeunmediodendice de refraccinmayor a otrode ndice menor (ni>nr ); a partir de cierto ngulo de incidencia, el ngulo de refraccin es igual a 90, con lo que ningunacantidaddeluzpasaalsiguiente medio.Al este ngulo de incidencia crtico, sele llama ngulo Lmite (L), y se obtiene utilizando que = 90:=90 - ni senoL=nr- sen oL=nrni4.3.- Difraccin de una onda.Enfsica, ladifraccines unfenmenocaractersticodelas ondas queconsisteenla dispersin y curvado aparente de las ondas cuando encuentran un obstculo. La difraccin ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnticas como la luz y las ondas de radio.La explicacin la encontramos en el Principio de Huygens que establece que cualquier punto de un frente de ondas es susceptible de convertirse en un nuevo foco emisor de ondas idnticas a la queloorigin. Deacuerdoconesteprincipio, cuandolaondaincidesobreunaaberturaoun obstculoqueimpide supropagacin, todos los puntos desuplanoseconviertenenfuentes secundarias de ondas, emitiendo nuevas ondas, denominadas ondas difractadas. Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 14 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com La difraccin se puede producir por dos motivos diferentes:1. Porque una onda encuentra a su paso un pequeo obstculo y lo rodea. Las bajas frecuencias (grandes longitudes de onda) son ms capaces de rodear los obstculos que las altas. Por ejemplo, en las ondas sonoras, esto es posible porque las longitudes de onda en el espectro audible estn entre 3 cm y 12 m, por lo que son lo suficientemente grandes para superar la mayor parte de los obstculos que encuentran. 2. porque una onda sonora topa con un pequeo agujero y lo atraviesa. La cantidad de difraccin estar dada en funcin del tamao de la propia abertura y de la longitud de onda. Si una abertura es grande en comparacin con la longitud de onda, el efecto de la difraccin es pequeo. La onda se propaga en lneas rectas o rayos, como la luz. Cuando el tamao de la abertura es de un tamao cercano a la longitud de onda, los efectos de la difraccin son grandes y el sonido se comporta como si fuese una luz que procede de una fuente puntual localizada en la abertura. En la ilustracin, la lnea azul representa la difraccin; la verde, la reflexin y la marrn, refraccin. (Encasodenopoder ver los colores, por laimpresinenblancoynegro, visitar lapgina http://cedavinci.com, donde podrs descargar el fichero en formato pdf).Enlas2figurasdelapginasiguientesepuedeobservaruncasodondenoseproduce difraccin (1 figura) y otro donde si se produce difraccin (2 figura).Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 15 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com Figura 1.- Si la luz se propaga en lnea recta, sobre la pantalla CD la regin AB queda iluminada (rendija de un tamao mucho mayor que la longitud de onda de la luz).Figura 2.- La luz no se propaga en lnea recta al pasar por el extremo de una rendija, sino que se "dobla" , es decir se difracta (rendija de un tamao similar a la longitud de onda de la luz).Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 16 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com TEMA 6.- LA CRISIS DE LA FSICA CLSICA. INTRODUCCIN A LA FSICA MODERNA.6.1.- Necesidad de una nueva fsica.A finales del siglo XIX se pensaba que prcticamente toda la ciencia estaba construida y ya sloquedaba por perfeccionar la tecnologa. Fu entonces cuandoa raiz de algunos nuevos experimentos empezaron a aparecer contradicciones entre la teora que se utilizaba y los valores experimentales. La experiencia ms famosa es la del Cuerpo Negro:Un cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la luz y toda la energa que incide sobre l. Ninguna parte de la radiacin es reflejada o pasa a travs del cuerpo negro. A pesar de su nombre, el cuerponegroemiteluzyconstituyeunmodeloideal fsicoparael estudiodelaemisinde radiacin electromagntica. La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiacin de cuerpo negro. El espectro de emisin de la radiacin de cuerpo negro no poda ser explicado con la teora clsica del electromagnetismo y la mecnica clsica. Estas teoras predeca que la intensidad de la radiacin a bajas longitudes de onda (altas frecuencias) sera infinita. A este problema se le conoce como la catstrofe del ultravioleta (se produca para el rango de frecuencias del ultravioleta).Grfico mostrando los datos experimentales de la emisin de cuerpo negro y su variacin con la temperatura. Un cuerpo a mayor temperatura emite mayor cantidad de radiacin y a longitudes de onda ms cortas mientras que un cuerpo a menor temperatura emite poca intensidad en longitudes deondalargas. Lacurvaatrazosmuestralaspredicciones errneasdelasteorasclsicasdel electromagnetismo y la fsica estadstica. El problema terico fue resuelto por Max Planck quin supuso que laradiacin electromagntica solo poda interaccionar con la materia en paquetes de energa discretosa los que llam quanta (Hiptesis de Planck). Esta idea fue utilizada poco despus por Albert Einstein para explicar el efecto fotoelctrico. Estos dos trabajos constituyen los cimientos bsicos sobre los que se asent la mecnica cuntica. En la actualidad,llamamos fotones a los quanta de Planck, y la energa que poseen viene dada por la ecuacin:E=h fdonde E es la energa que posee el fotn, f es la frecuencia de la luz y h es la llamada constante de Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 17 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com Planck, que las dos magnitudes anteriores y su valor es h = 6.6310 -34 Js.Es importante notar la importancia de la expresin anterior, puesto que se relacionan POR PRIMERAVEZenlafsica, magnitudes departculas (Ees la energa delapartcula) con magnitudes de las ondas (f es la frecuencia de la onda electromagntica).As, lahiptesisdePlanckestablece quelasondaselectromagnticas(luz)se comportan como ondas en su propagacin (con todos sus fenmenos: difraccin, reflexin, refraccin, interferencias, ...) y como partculas cuando interaccionan con la materia. A ese comportamiento se le conoce como DUALIDAD ONDA-CORPSCULO.En la figura siguiente se puede observar como con la nueva hiptesis de Planck sobre la propagacin de la luz en forma de paquetes de luz (fotones) se corrige el problema de la catstrofe del ultravioleta:6.2.- Efecto Fotoelctrico.El efecto Fotoelctrico consiste en la aparicin de una corriente elctrica en ciertos materiales cuando estos se ven iluminados por radiacin electromagntica (luz de cierta frecuencia). La fotoelectricidad fue descubierta y descrita experimentalmente por Heinrich Hertz en 1887. El efectofotoelctricoconstituaunmisterioabiertodelafsicahastasuexplicacinpor Albert Einstein en 1905 quien bas su formulacin de la fotoelectricidad en una extensin del trabajo sobre los fotones de Max Planck. Los paneles solares y las clulas fotoelctricas constituyen algunas de las aplicaciones ms conocidas del efecto fotoelctrico. Se suele sealar que con la formulacin del efecto fotoelctrico Einstein dio origen a la fsica cuntica, madre de la electrnica moderna. Interpretacin cuntica del efecto fotoelctricoLa electricidad es un flujo de electrones, de carga negativa que rodean al ncleo atmico. El hecho de que tales flujos elctricos pudieran ser producidos en algunos materiales por la incidencia de luz era un misterio, pero Einstein descubri que en determinadas circunstancias los fotones, es decir, las partculas de luz, golpeaban a los electrones de un material hasta liberarlos de sus tomos, permitindoles correr libres en forma de corriente elctrica.Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 18 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com Los fotones de luz tienen una energa caracterstica determinada por la longitud de onda de la luz:E=h f =hc\Algunas propiedades de este fenmeno son: Si un electrn absorbe la energa de un fotn y tiene mayor energa que la funcin de trabajo del ncleo (trabajo de extraccin,Wext), es decir, si el fotn tiene mayor energa que la que unealelectrnconeltomo, entoncesel electrnpuedeserextradodelmaterial. Sila energa del fotn es demasiado pequea, el electrn es incapaz de escapar de la superficie del material. Esto conduce a la aparicin de una frecuencia umbral de la luz fo, que es la mnima frecuencia de la luz con la que hay iluminar para que se produzca este efecto y est relacionada con el trabajo de extraccin:Wext=h fo Los cambios en la intensidad de la luz no cambian la energa de sus fotones, tan slo su nmero y por lo tanto la energa de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz incidente. Los electrones siguen por lo tanto un principio de "todo o nada" en el sentido de que toda la energa de un fotn es utilizada para liberar un electrn de su enlace atmico o la energa del fotn es reemitida. Si el fotn es absorbido parte de la energa se utiliza para liberarlo del tomo y el resto contribuye a dotar de energa cintica a la partcula libre; de este proceso se deduce la ecuacin de balance energtico:h f =Wext+Ec Finalmente para que el material fotoelctrico produzca electricidad ante la incidencia de luz es necesario el uso de un circuito elctrico por el que fluirn los electrones liberados del material fotoelctrico.Elefectofotoelctricofueunode los primerosefectosfsicosque pusode manifiestola dualidad onda-corpsculocaracterstica de la mecnica cuntica. La luz se comporta como ondas pudiendoproducir interferencias, refraccin, reflexinydifraccinperointercambiaenergade forma discreta enpaquetes deenerga, fotones, cuyaenerga depende dela frecuencia de la radiacin electromagntica.El efecto fotoelctrico es la base de la produccin de energa elctrica por radiacin solar y del aprovechamiento energtico de la energa solar. Tambin se utiliza en diodos fotosensibles tales comolosqueseutilizanenlasclulasfotovoltaicas (puertasdecocheras yascensores. Enla actualidad los materiales fotosensibles ms utilizados son, aparte de los derivados del cobre (ahora en menor uso), el silicio, que produce corrientes elctricas mayores.Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 19 de20) Centro de Estudios Da VinciPrueba de Acceso a Ciclos Formativos de Grado Superiorhttp://cedavinci.com Comocuriosidad, comentar queel efectofotoelctricotambinsemanifiestaencuerpos expuestos a la luz solar de forma prolongada. Por ejemplo, las partculas de polvo de la superficie lunaradquierencargapositivadebidoal impactodefotones. Laspartculascargadasserepelen mutuamente elevndose de la superficie y formando una tenue atmsfera. Los satlites espaciales tambin adquieren carga elctrica positiva en sus superficies iluminadas y negativa en las regiones oscurecidas, por lo que es necesario tener en cuenta estos efectos de acumulacin de carga en su diseo.6.3.- Hiptesis de De Broglie.Deacuerdoconlafsicaclsicaexisten diferencias entre onda y partcula.Una partcula ocupaunlugar enel espacioytienemasamientras queunaondaseextiendeenel espacio caracterizndose por tener una velocidad definida y masa nula. La dualidad onda-corpsculo, tambin llamada onda-partcula, resolvi una aparente paradoja, demostrando que la luz y la materia pueden, a la vez, poseer propiedades de partcula y propiedades ondulatorias; Constituye una propiedad bsica de la mecnica cuntica y fue enunciada por primeravezenelao1924porelfsico francs, Louis-VictordeBroglie. Propusoquelos electrones presentaban caractersticas tanto ondulatorias como corpusculares comportndose de uno u otro modo dependiendo del experimento especfico.En general, postul la existencia de ondas de materia; es decir, que las partculas con masa, al igual quelasondaselectromagnticas, tenanuncomportamientodeondaopartculasegnel experimento que se estudie. Adems, predijo que la longitud de onda asociada a una partcula de masa m, que se mueve a una velocidad v ser:\=hm vsiendohlaconstantedePlanck. Tiempodespus, en1927, seconsiguirealizar difraccinde electrones (partculas con masa), con lo que se comprob experimentalmente tal prediccin.Notardenuevo, comodosaspectosqueaparentementeeranopuestoscomolasondas()ylas partculas (m) vuelven a estar relacionados a travs de la constante de Planck h.Si todas las masas se comportan como ondas; por qu no observamos propiedades de onda en objetos macroscpicos como la refraccin o la difraccin? Esto es debido a que su asociada es demasiado pequea para ser medida en la actualidad.Como nota histrica curiosa, decir que J.J. Thomson, en 1897, descubri el electrn como una partcula bien definida con masa y carga, por lo que recibi el premio Nobel. Aos despus, en 1927, su hijo G.P. Thomson realiz experimentalmente difraccin de electrones y por tal motivo tambin recibi el Nobel de fsica. Se puede decir que a Thomson padre se le concedi el Nobel por haber descubierto que el electrn es una partcula, y a su hijo por haber descubierto que el electrn es una onda. :-)7.- Bibliografa. http://es.wikipedia.org (En la actualidad la mayor fuente de informacin en castellano) Fsica de 2 Bachillerato, editorial Santillana.Teora de la Asignatura de Fsica(Pgina 20 de20) Centro de Estudios Da Vinci