unidad didactica fisica moderna

FÍSICA - 2º de BACHILLERATO

Unidad Didáctica:

FÍSICA MODERNA

Asignatura: Didáctica de la Física y la Química

MASTER EN PROFESORADO DE SECUNDARIA UAX 2010-2011

Alumnos: Javier Begiristain y Guillermo Ferreiro

Máster universitario del profesorado Didáctica de la Física y la Química

Unidad didáctica: Javier Begiristain Física Moderna Página 2 de 27 Guillermo Ferreiro

Índice

1. Prerrequisitos y actividades de motivación ........ 3

2. Objetivos didácticos .......................................... 4

3. Contenidos ....................................................... 5

4. Metodología ...................................................... 6

5. Temporalización ............................................... 7

6. Criterios de evaluación ................................... 10

7. Criterios de calificación ................................... 11

8. Actividad inicial .............................................. 12

9. Actividades de laboratorio ............................... 15

10. Mapa conceptual ............................................ 20

11. Recursos didácticos ........................................ 23

12. Control de la unidad didáctica ........................ 24



1. Prerrequisitos y actividades de motivación

• Conocer los fundamentos básicos de la cinemática.

• Conocer el principio de conservación de la energía.

• Conocer la estructura de la materia y los modelos atómicos.

• Conocer la naturaleza de la luz.

• Mostrar un video documental introductorio de la materia.

• Realizar experimentos en el laboratorio sobre la unidad didáctica.

• Utilizar applets explicativos de los contenidos.

• Utilizar animaciones sobre los contenidos de la materia.



2. Objetivos didácticos

• Comprender la insuficiencia de la física clásica para explicar

ciertos fenómenos físicos.

• Conocer el origen de la física moderna y quienes fueron sus

artífices.

• Conocer la teoría de la relatividad especial y sus consecuencias.

• Conocer la equivalencia entre masa y energía.

• Comprender la teoría cuántica de Planck, la radiación térmica y el

efecto fotoeléctrico de Einstein.

• Comprender la hipótesis de De Broglie y el principio de

incertidumbre de Heisemberg.

• Comprender los fundamentos de la radioactividad.

• Conocer las partículas elementales de los átomos.

• Conocer las repercusiones energéticas de la energía de enlace de

los nucleones

• Conocer los fundamentos básicos de la fisión y fusión nuclear.

• Comprender las repercusiones del desarrollo de la física moderna.



3. Contenidos

• Insuficiencia de la Física Clásica.

• Postulados de la teoría de la relatividad especial y sus

consecuencias.

• Equivalencia entre masa y energía.

• Teoría cuántica de Planck y la radiación térmica.

• Efecto fotoeléctrico.

• Espectros discontinuos atómicos.

• Hipótesis de De Broglie. Dualidad onda-corpúsculo.

• Principio de incertidumbre de Heisenberg.

• Radiactividad natural y artificial.

• Partículas elementales.

• Ley de desintegración radiactiva.

• El núcleo atómico y las fuerzas nucleares.

• Energía de enlace por nucleón.

• Tipos de desintegración radiactiva.

• Fisión y fusión nuclear.



4. Metodología

• Exposición de contenidos por parte del profesor.

• Resolución de ejercicios de forma individual y en la pizarra.

• Elaborar conclusiones a partir de los experimentos de laboratorio.

• Exposición en grupo del mapa conceptual de la unidad.

• Utilización de applets para realizar la simulación de

experimentos.

• Utilizar animaciones explicativas.

• Debatir sobre la unidad didáctica.



5. Temporalización

1ª Sesión: Actividad inicial

Exposición sobre los orígenes del

cálculo de la velocidad de la luz – 25’

Videos documentales – 25’

2ª Sesión: Origen y

relatividad

Insuficiencia de la física clásica – 5’

Teoría de la relatividad especial – 30’

Applet relatividad especial – 5’

Equivalencia entre masa y energía – 10’

3ª Sesión: Ejercicios

relatividad

Conclusiones de la relatividad y

ejercicios - 45´

Petición de mapa conceptual en grupos

– 5’

4ª Sesión: Teoría cuántica

Teoría cuántica de Planck – 30´

Efecto fotoeléctrico - 15´

Applet del efecto fotoeléctrico – 5´

5ª Sesión: Espectros

discontinuos

Espectros discontinuos – 40´

Animación sobre espectros

discontinuos – 10’

6ª Sesión: Hipótesis de De

Broglie y principio de

incertidumbre

Hipótesis de De Broglie - 25´

Principio de incertidumbre – 25’

7ª Sesión: Ejercicios de De

Broglie y principio de

incertidumbre

Ejercicios de De Broglie y principio de

incertidumbre - 50´



8ª Sesión: Laboratorio 1 Práctica de laboratorio 1 - 50´

9ª Sesión: Radioactividad

Video radioactividad – 15’

Radioactividad y ley de desintegración

radioactiva – 35´

10ª Sesión: Ejercicios

radioactividad

Applet radioactividad – 10´

Ejercicios radioactividad – 40´

11ª Sesión: Partículas y

núcleo atómico

Partículas elementales y núcleo atómico

– 50´

12ª Sesión: Fuerzas

nucleares

Fuerzas nucleares y energía de enlace -

50´

13ª Sesión: Ejercicios de

fuerzas nucleares Ejercicios de fuerzas nucleares – 50´

14ª Sesión: Fisión y fusión

nuclear

Fisión y fusión nuclear – 40’

Video documental de la central nuclear

– 10’

15ª Sesión: Laboratorio 2 Práctica de laboratorio 2 – 50´

16ª Sesión: Presentación del

mapa conceptual en grupos

Presentación del mapa conceptual en

grupos – 50´



17ª Sesión: Repaso Repaso unidad didáctica – 50´

18ª Sesión: Examen Examen unidad didáctica – 50´

19ª Sesión: Debate Debate unidad didáctica – 50´



6. Criterios de evaluación

• Explicar la insuficiencia de la física clásica y el origen de la física

moderna.

• Explicar y aplicar a la resolución de ejercicios la teoría de la

relatividad especial y la equivalencia entre masa y energía.

• Explicar la teoría cuántica de Planck, la radiación térmica y el

efecto fotoeléctrico de Einstein.

• Aplicar a la resolución de ejercicios la teoría cuántica de Planck y

el efecto fotoeléctrico de Einstein.

• Explicar y aplicar a la resolución de ejercicios la hipótesis de De

Broglie.

• Explicar y aplicar a la resolución de ejercicios el principio de

incertidumbre de Heisemberg.

• Explicar los fundamentos de la radioactividad y aplicarlos a la

resolución de ejercicios.

• Explicar cuáles son las partículas elementales de los átomos.

• Explicar las repercusiones energéticas de la energía de enlace de

los nucleones y aplicarlo a la resolución de ejercicios.

• Explicar los fundamentos básicos de la fisión y fusión nuclear.



7. Criterios de calificación

A) Examen de la Unidad Didáctica.

B) Prácticas de laboratorio.

A B

90% 10%

La actividad de exposición subirá un máximo de un punto sobre la nota

final.



8. Actividad inicial

La actividad inicial consiste en explicar a los alumnos la historia de

cómo se calculó la velocidad de la luz y como se comprobó que su

velocidad es constante e independiente del sistema de referencia

inercial. Todavía a día de hoy se sigue calculando la velocidad de la luz

cada vez con mayor precisión.

A continuación se detalla la secuencia cronológica del cálculo de la

velocidad de la luz:

Galileo (1564-1642) dudó que la velocidad de la luz fuera infinita y

describió un experimento. Dos personas toman una lámpara con rejillas

y se colocan en la cima de dos montañas diferentes. Una abría la rejilla

de su lámpara y la otra debía abrir la suya tan pronto como viera la luz

de la lámpara del primero. La velocidad de la luz es tan elevada que es

imposible detectarla mediante un experimento de este tipo. Galileo

concluyo que la velocidad de la luz era elevadísima pero no

necesariamente infinita.

Ole Roemer (1644-1710), fue el primero en medir la velocidad de la luz

en 1676. Detectó que el tiempo entre los eclipses del satélite Io de

Júpiter era menor cuando la distancia a la Tierra decrecía, y viceversa.

El satélite queda oculto por la sombra que proyecta el planeta Júpiter, y

se puede detectar fácilmente el momento en el que el satélite aparece de

nuevo tras desaparecer brevemente de la vista del observador terrestre.

Obtuvo un valor de 214000 km/s, aceptable dada la poca precisión con

la que se podía medir en aquella época la distancia de los planetas.

Armand Fizeau (1818-1868) en 1849 usó un haz de luz reflejado en un

espejo a 8 Km de distancia. El haz pasa a través de una rueda dentada

cuya velocidad se incrementa hasta que el haz de retorno pasa por el

hueco siguiente. El valor obtenido fue de 315000 Km/s. Usando el

mismo procedimiento Leon Foucault en 1850, obtuvo un valor de

298.000 Km/s.



En 1926, Michelson utilizó espejos rotatorios para medir el tiempo que

tardaba la luz en hacer un viaje de ida y vuelta entre la montaña Wilson

y la montaña San Antonio en California. Las medidas exactas rindieron

una rapidez de 299.796 km/s.

A partir de 1970 con el desarrollo de aparatos de láser con una

estabilidad espectral muy grande y relojes de cesio exactos, ha sido

posible mejorar las medidas, llegando a ser conocida con una precisión

inferior a 1m/s.

A continuación se detalla como Michelson-Morley comprobaron

experimentalmente que la velocidad de la luz es independiente del

sistema de referencia inercial:

El experimento de Michelson y Morley fue uno de los más importantes y

famosos de la historia de la física. Realizado en 1887 por Albert

Abraham Michelson y Edward Morley, está considerado como la primera

prueba contra la teoría del éter. El resultado del experimento

constituiría posteriormente la base experimental de la teoría de la

relatividad especial de Einstein.

El propósito de Michelson y Morley era medir la velocidad relativa a la

que se mueve la Tierra con respecto al éter.

El efecto del viento del éter sobre las ondas de luz, sería como el de la

corriente de un río sobre un nadador que se mueve a favor o en contra



de ella. En algunos momentos el nadador sería frenado, y en otros

impulsado. Esto es lo que se creía que pasaría con la luz al llegar a la

Tierra con diferentes posiciones con respecto al éter: debería llegar con

diferentes velocidades. La clave es que, en viajes circulares, la diferencia

de velocidades es muy pequeña, del orden de la millonésima de la

millonésima de un segundo. Sin embargo, Michelson, muy

experimentado con la medición de la velocidad de la luz, ideó una

manera de medir esta mínima diferencia.

Michelson y Morley construyeron lo que se conoce como el

interferómetro de Michelson. Se compone de una lente semiplateada o

semiespejo, que divide la luz monocromática en dos haces de luz que

viajan en un determinado ángulo el uno respecto al otro.

Con esto se lograba enviar simultáneamente dos rayos de luz

procedentes de la misma fuente en direcciones perpendiculares,

hacerles recorrer distancias iguales o caminos ópticos iguales y

recogerlos en un punto común, en donde se crea un patrón de

interferencia que depende de la velocidad de la luz en los dos brazos del

interferómetro. Cualquier diferencia en esta velocidad provocada por la

diferente dirección de movimiento de la luz con respecto al movimiento

del éter sería detectada, sin embargo no fue detectada. De este

experimento se deduce que la velocidad de la luz es constante e

independiente del sistema de referencia inercial.



9. Actividades de laboratorio

Práctica de laboratorio 1: EFECTO FOTOELÉCTRICO.

Objetivo: Observar el efecto fotoeléctrico.

Material:

• Electroscopio.

• Barra de polietileno.

• Paño de lana.

• Placa de zinc.

• Placa de cobre.

• Papel de lija fina.

• Lámpara de luz ultravioleta.

• Linterna.

Teoría:

La energía de un fotón de luz es E=h�f (h=constante de Planck=6,63�10-

34 J�s). Einstein explicó que si la frecuencia f es superior a la

frecuencia umbral, la energía de los fotones que inciden sobre un

material cargado hace que los electrones libres salten del metal, y éste

se vaya descargando.

La frecuencia de la luz de la linterna es menor que la de la luz

ultravioleta larga y ésta menor que la de la luz ultravioleta corta. Por

tanto la energía de los fotones ultravioletas es mayor que la de la luz de

la linterna.



Descripción:

Poner la placa de cobre en el electroscopio y cargarlo negativamente

frotando la barra de polietileno cargada sobre la parte superior de la

placa metálica.

Se ilumina con luz de la linterna, U.V. larga y la U.V. corta. ¿Se

descarga el electroscopio?

Quitar la placa de cobre y poner la de zinc previamente limpiada con

la lija fina. Repetir la iluminación con las distintas fuentes. ¿Qué

ocurre?

Repetir el paso 3 pero cargando el electroscopio positivamente. Para ello

se acercará la barra de polietileno cargada, sin tocar el metal. Descargar

éste momentáneamente con el dedo y después separar la barra de

polietileno. ¿Qué ocurre? ¿Cómo lo explicarías?

Este efecto se usa, por ejemplo, en las puertas de ascensores: si una

persona entra mientras se están cerrando, corta el rayo de luz que

activa una célula fotoeléctrica, y las puertas se vuelven a abrir.



Práctica de laboratorio 2: CALCULAR LA CONSTANTE DE PLANCK

CON DIODOS LED.

Objetivo: Relacionar el efecto fotoeléctrico con los diodos LED y

determinar la constante de Planck.

Material:

• Diodos LED (amarillo, rojo, azul, cian-turquesa, verde).

• Polímetro.

• Fuente de alimentación de c.c.

Teoría:

Los diodos LED son dispositivos semiconductores emisores de una luz

casi monocromática puesto que las longitudes de onda que emiten se

acercan a un valor. Cuando las zonas P y N del LED se unen se emite

un fotón. El voltaje externo a aplicar a la unión P-N es llamado voltaje

de barrera, que es el voltaje mínimo o voltaje umbral para el que a

partir de él, pase la corriente. La luz que emiten los LED puede ser de

diversos colores, a consecuencia del material de los semiconductores,

los cuales hacen que las longitudes de onda sean diferentes.

La energía con la que se emite un fotón por un LED, viene dada por la

ecuación de Einstein-Planck. E=h�f (h=constante de Planck= 6,63�10-34

J�s.

Descripción:

Realizar un circuito por cada LED, y medir la intensidad que pasa por

cada LED en función del voltaje aplicado, 1,5 a 3,5 V, en intervalos de

0,05V, para así poder analizar la curva que se genera. La tangente a

dicha curva cortará al eje de abscisas en el punto donde el LED

comienza a no tener corriente nula es decir, con ello se obtendrá el

voltaje umbral del LED.



La ecuación de la recta será: y=Ax-B.

Con la ecuación de la recta que nos da la gráfica podemos hallar el

voltaje umbral, que es donde corte con el eje x, es decir para I=0.

Una vez tenemos los voltajes umbrales de cada LED y sus longitudes de

onda, obtenidos de las hojas técnicas del fabricante, realizaremos un

cálculo estadístico para calcular la constante de Planck.

Recordando las siguientes equivalencias se calculará la “h”

correspondiente a cada LED.

E=q�Vumbral donde q es la carga del electrón (1,6.10-19 culombios)

f = c / λ (c = 3.10 8 m/s)

h = E /f



De la práctica realizada en el colegio Retamar de Pozuelo de Alarcón, se

han obtenido los siguientes resultados:

LED λ (nm) V.umbral h

Rojo 645 1,745 6,0028 � 10 -34

Amarillo 585 1,886 5,8843 � 10 -34

Verde 565 1,91 5,7555 � 10 -34

Cian 501 2,85 7,6339 � 10 -34

Azul 430 3,32 7,6276 � 10 -34

h = Σ h / número de LED´s = 6,6249 � 10 -34 J�s

El resultado ha sido satisfactorio, puesto que la constante que sale es

muy parecida a la constante establecida por Planck:

h = 6,6260689633 � 10 -34 J�s



10. Mapa conceptual



cte

Ta

=⋅

ma

xλ

4T

cte

ET

⋅=

fh

E⋅

=f

hE

foto

n⋅

=

)1

21 (1

22

nR

−⋅

=λ

vm

h ⋅=

λπ

2hp

x≥

∆⋅∆

2 cm

E⋅

=



tO

eN

Nλ−

⋅=

2 cm

E⋅

∆=



11. Recursos didácticos

• Libro de texto de Física de 2º de Bachillerato.

• Laboratorio de Física.

• Videos documentales sobre física moderna:

http://www.acienciasgalilei.com/videos/particula-onda.htm#up

• Video documental sobre radioactividad:

http://www.youtube.com/watch?v=_OUT-O6zsyo

• Applet sobre la dilatación del tiempo:

http://www.walter-fendt.de/ph14s/timedilation_s.htm

• Applet sobre el efecto fotoeléctrico:

http://phet.colorado.edu/en/simulations/translated/es

• Applet sobre la ley de desintegración radioactiva:

http://www.walter-fendt.de/ph14s/lawdecay_s.htm

• Animación sobre los espectros discontinuos:

http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/fl

ash/linesp16.swf

• Animación sobre la energía nuclear:

http://www.iesmariazambrano.org/Departamentos/flash-

educativos/nuclear.swf



12. Control de la unidad didáctica

Examen de la asignatura: Física (2º de Bachillerato).

Unidad didáctica: Física Moderna.

Alumno: Curso: Grupo:

1- Un avión vuela a 0,5c. Asumiendo que la Tierra fuera un sistema

inercial, indicar: (1 punto)

a) ¿En qué proporción se verá contraída la longitud del avión con

respecto a la Tierra?

b) ¿Durante un año medido en tierra (3.16x107 seg), qué intervalo de

tiempo marcará el reloj del avión?

2- Explica la radiación del cuerpo negro y la hipótesis de Planck. (0.5

puntos)



3- a) Un átomo que absorbe un fotón se encuentra en un estado

excitado. Explique qué cambios han ocurrido en el átomo. ¿Es estable

ese estado excitado del átomo?

b) ¿Por qué en el espectro emitido por los átomos sólo aparecen ciertas

frecuencias? ¿Qué indica la energía de los fotones emitidos? (0.5

puntos)

4- Un metal, para el que la longitud de onda umbral de efecto

fotoeléctrico es λ0 = 275 nm, se ilumina con luz de λ = 180 nm. (1.5

puntos)

a) Explique el proceso en términos energéticos.

b) Calcule la longitud de onda, frecuencia y energía cinética de los

fotoelectrones.

c = 300.000 Km s-1; h = 6,62�10-34 J s; e = 1,6�10-19 C; me = 9,1�10-31

kg

5- Un protón se acelera desde el reposo mediante una diferencia de

potencial de 50 kV. (1.5 puntos)



a) Haga un análisis energético del problema y calcule la longitud de

onda de De Broglie asociada a la partícula.

b) ¿Qué diferencia cabría esperar si en lugar de un protón la partícula

acelerada fuera un electrón? mp = 1,7�10-27 kg

6- Para el circuito de la figura constituido por una fuente de

alimentación regulable y un diodo led, se han obtenido las medidas de

la tabla. Sabiendo que el diodo emite una luz amarilla con una longitud

de onda de 585 nm, determinar la constante de Planck. (1.5 puntos)

Voltaje (V) Intensidad (mA)

1,55 0,001 1,66 0,12 1,79 0,212 1,86 1,29 1,91 2,9 1,98 7,6 2,06 11,4 2,15 18,2 2,24 24,3 2,32 30,4 2,41 38 2,52 45,9 2,67 58,3 2,75 64,2 2,93 78,5 3,03 86 3,16 95,3 3,29 104,5 3,38 109,9 3,47 116,3



7- a) Explica el Principio de Incertidumbre de Heisenberg.

b) Estimar la incertidumbre en la velocidad del electrón del átomo de

hidrógeno suponiendo que podemos llegar a conocer su posición con

una indeterminación de 1 pm. (1 punto)

8- Una muestra radiactiva disminuye desde 1015 a 109 núcleos en 8

días. Calcula: (1.5 puntos)

a) La constante radiactiva y el periodo de semidesintegración.

b) La actividad de la muestra en becquerelios (Bq) una vez transcurridos

15 días desde que tenía 1015 núcleos.

9- Explica las leyes de los procesos radiactivos (Leyes de Soddy-Fajans).

Completa las siguientes ecuaciones de desintegración, indicando el

número másico y atómico de los núcleos “hijo” y “nieto”. (0.5 puntos)

PaThU ??

??

23892 →→ −βα

10- Explica la fusión y la fisión nuclear. (0.5 puntos)

unidad didactica fisica moderna

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