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Manual de Prácticas Semestre: Febrero - Julio 2019

FÍSICA IV

Nombre del alumno:_________________ Nombre del docente:________________ Grado & Grupo:_______ Formador de jóvenes de manera integral

Autorizó:

M. A. José Eduardo Hernández Nava

Rector de la Universidad de Colima

M.C.P. Carlos Eduardo Monroy Galindo

Coordinador General de Docencia

Mtro. Luis Fernando Mancilla Fuentes

Director General de Educación Media Superior

Academia de Física

Ing. Salvador Aguilar Aguilar

Ing. José de Jesús Jiménez Gutiérrez

Ing. Luis Antonio Ramírez Rodríguez

Ing. Carlos Coutiño Torres

Ing. Abel Ignacio Garnica Marmolejo

Ing. Saúl Gutiérrez Núñez

Ing. Emilio Oliva Gómez

Mtro. Rogelio Alejandro Delgado Alfaro

Mtro. Fernando Pérez Martínez

INTRODUCCIÓN El laboratorio es un espacio físico muy importante para la construcción del conocimiento del alumno y se debe de aprovechar para que compruebe y viva lo que se dice teóricamente en el aula y de esta forma provocar un mayor agrado e interés en él por las ciencias. En el presente manual se presentan actividades experimentales con una metodología que pretende el generar un conflicto conceptual en el interior del alumno, que en muchas ocasiones es lo que provoca el no comprender los fenómenos físicos.

El docente debe de aprovechar la enorme curiosidad que le genera al alumno el explicar los fenómenos que suceden a su alrededor. Si se aprovecha esta capacidad para hacer preguntas y buscar respuestas en forma ordenada, se estará dando un gran paso para sentar las bases sólidas sobre la formación científica. Se sugiere que, en el desarrollo de las actividades, el docente genere un ambiente agradable y comunicativo, que despierte el interés y la creatividad del alumno, así como su curiosidad. Las actividades pueden ser susceptibles a modificaciones por parte del docente, toda vez que se persiga un mejor entendimiento del fenómeno en cuestión y/o por la falta de algún material.

CADA UNA DE LAS PRÁCTICAS ESTÁ DIVIDIDA EN LAS SIGUIENTES SECCIONES:

Número de la práctica: Las prácticas mantienen una secuencia lógica

acorde con el programa de Física 4 del nivel medio superior. Nombre de la práctica: se refiere al concepto principal que se va a

trabajar en la práctica. Guía de investigación previa: lo que debe saber el alumno antes de la

práctica, se proponen tres o cuatro preguntas para que el alumno asista a la clase con las mismas ya respondidas, además se le pide que lea la práctica de manera previa y que llegue a la misma con un diagrama de flujo que indique, de manera general, los pasos a seguir para realizarla.

Objetivo: se detalla por qué y para que del trabajo que se va a trabajar en la práctica.

Competencias a desarrollar: se mencionan las competencias genéricas y atributos, así como las disciplinares extendidas de las ciencias experimentales que el alumno alcanzara al término de la práctica.

Material: se relaciona con todos los materiales y sustancias requeridos para el desarrollo de la práctica.

Desarrollo experimental: ofrece un desglose y el diagrama de los pasos necesarios para llevar a cabo la práctica.

Análisis del desarrollo: cuestionamientos redactados de tal manera que únicamente quien realmente ha realizado la práctica puede contestarlas.

Cuestionario: cuestionamientos que permiten explicar o aplica lo aprendido durante la práctica.

Conclusiones personales: sección de la práctica destinada para que el alumno exprese con sus propias palabras lo que aprendió con el experimento.

INSTRUCCIONES GENERALES

1) Pertenecer a los equipos de trabajo del laboratorio que se formen en la primera sesión de práctica.

2) Usar bata de laboratorio durante el desarrolla de la práctica. 3) No manejar o utilizar equipos, instrumentos o sustancias, sin

autorización de los maestros. 4) Seguir fielmente las instrucciones dadas por los maestros. 5) Solicitar en caso de duda, las aclaraciones necesarias, antes de

desarrollo de las prácticas. 6) El alumno que por descuido destruya el material de trabajo o equipo,

deberá reponerlo. 7) Observar en todo momento, seriedad en el trabajo que realice y en el

trato con sus compañeros. 8) Entregar limpio, al término de la práctica, el material que le fue

facilitado para el desarrollo de la misma, así como su área de trabajo. 9) Informar inmediatamente a los maestros, cualquier desperfecto que se

localice en los equipos e Instalaciones. 10) Los alumnos se abstendrán de ingerir alimentos, bebidas y fumar,

durante su permanencia en el laboratorio. 11) Presentarse puntualmente a su práctica programada. 12) No manejar o utilizar las instalaciones, equipo o materiales sin la

autorización del técnico o el profesor correspondiente. 13) Dejar su mochila o utensilios en el lugar que se le indique para ello. 14) Atender las instrucciones dadas por su profesor o laboratorista. 15) Está estrictamente prohibida la entrada de alumnos a los almacenes de

equipos o reactivos de los laboratorios o talleres, sin autorización del laboratorista o encargado.

16) Mantener un clima de respeto y armonía para garantizar el adecuado desarrollo de las actividades dentro los laboratorios y talleres

17) Abstenerse de tirar al suelo papeles y cualquier otro tipo de desperdicio, los cuales deberán depositarse en los recipientes destinados para tal fin.

18) Abstenerse de mantener material o equipo en tal forma que pueda obstaculizar la libre circulación o ser causa de accidentes.

19) Abstenerse de hacer bromas o juegos, pues eso implica un alto riesgo de accidente.

20) Abstenerse de utilizar dentro de las instalaciones, aparatos de radio, grabadoras y celulares

Contenido CIENCIA E IMAGINACIÓN 6 EL NUCLEO ATOMICO 11 DISPERSIÓN NUCLEAR 15 VIDA MEDIA 21 ACTIVIDAD INTEGRADORA Y EVALUACIÓN DE UNIDAD 26 REACCIÓN EN CADENA ESPECTROS DE ABSORCIÓN Y EMISIÓN 31 EFECTO FOTOELÉCTRICO 36 MICROSCOPIO ELECTRÓNICO 49 ACTIVIDAD INTEGRADORA Y EVALUACIÓN DE UNIDAD 54 ATOMO: DEL CLÁSICO AL CUÁNTICO 55 FENÓMENOS CUÁNTICOS 62 RELATIVIDAD 70 LA BOVEDA CELESTE 77 ACTIVIDAD INTEGRADORA Y EVALUACIÓN DE UNIDAD 81

PRÁCTICA No. 1

CIENCIA E IMAGINACIÓN

Guía de investigación previa

Muchas investigaciones científicas realizan trabajos y sus resultados son

evidentes, principalmente porque trabajan con materiales visibles a simple

vista. ¿Cómo crees que se analizan los resultados en materiales cuya

observación es indirecta o abstracta?

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_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

¿Los átomos son visibles a simple vista?, ¿Las investigaciones de los átomos

como se realizan?

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Ahora existe tecnología para analizar de forma indirecta el resultado de

investigaciones. Pero ¿Cómo hicieron antes los investigadores que no podían

realizar observaciones precisas?

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OBJETIVO: simular un trabajo de investigación científica.

COMPETENCIAS A DESARROLLAR

Genéricas 5.4.- Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.4.- Estructura ideas y argumentos de manera clara, coherente y sintética. Disciplinares de las ciencias experimentales 1. Valora de forma crítica y responsable los beneficios y riesgos que trae consigo el desarrollo de la ciencia y la aplicación de la tecnología en un contexto histórico-social, para dar solución a problemas. 8. Confronta las ideas preconcebidas acerca de los fenómenos naturales con el conocimiento científico para explicar y adquirir nuevos conocimientos.

MATERIAL:

Una caja cerrada, con objetos preparados por el profesor

CONSIDERACIONES TEORICAS

Experimentos como los de Roentgen y Rutherford ilustran cómo las pruebas

indirectas pueden ser esenciales para explorar las propiedades de un objeto

que no podemos ver o tocar. En esta actividad intentarás identificar objetos en

cajas selladas. En muchos aspectos esta actividad se parece al trabajo de los

científicos para determinar la naturaleza del átomo, que es como una “caja

sellada” fundamentalmente.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

En tu mesa del laboratorio hay dos cajas selladas y marcadas con los

números1 y 2. Cada caja contiene 3 objetos distintos, y diferentes de los que

están en la otra caja.

1. Con cuidado agita, haz girar y/o manipular una de las cajas. Con base

en tus observaciones, intenta determinar el tamaño de cada objeto, su

forma general y el material del que está hecho. Anota tus observaciones,

designando los tres objetos A, B y C. Repite la operación las veces que

sea necesario.

2. Compara tus observaciones e ideas acerca de los tres objetos con las

de otros miembros de tu equipo. Escribe a que conclusiones pueden

llegar tú y tu equipo.

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_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

Describe los objetos que se encuentran dentro de la caja.

3. Repite los pasos 1 y 2 con la segunda caja.

4. Realicen una discusión por equipo. Tomen decisiones finales respecto a los

objetos de las cajas 1 y 2. Identifica cada uno de ellos por su nombre y realiza

un dibujo de la forma de cada uno.

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5. Abran la caja y observen cada uno de los objetos. ¿Son iguales a los que

dibujaron? ¿En que se equivocaron?

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6. ¿Cuántas veces crees que es necesario hacer el experimento para tener una

mayor seguridad de lo que hay en la caja?

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ANALISIS DEL DESARROLLO.

1.- ¿Cuál de tus sentidos empleaste para reunir los datos?

_______________________________________________________________

2.- En la discusión del grupo ¿Cuáles fueron las diferencias?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

3.- ¿En qué aspecto se parece esta actividad a los esfuerzos de los científicos

por explorar las estructuras atómica y molecular?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

Con base en otro experimento, Rutherford propuso un modelo atómico

fundamental que resulta útil aún en la actualidad. Al hacerlo desarrolló una

forma ingeniosa e indirecta de ver los átomos. Investiga este experimento que

desarrollo Rutherford y explícalo con tus palabras en el siguiente espacio.

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

CUESTIONARIO

1.- Menciona el nombre de algunas teorías acerca de la naturaleza del mundo

que estén basadas principalmente en pruebas indirectas.

_______________________________________________________________

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2.- ¿Cuáles son las pruebas indirectas actuales para observar los átomos?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

3. Explica qué importancia tiene el método científico en este tipo de trabajos.

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_______________________________________________________________

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4. ¿Qué diferencia hay entre un físico experimental y un físico teórico?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

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5. ¿Qué importancia tiene el trabajo científico para el desarrollo de la

tecnología?

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CONCLUSIONES

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Nombre del alumno___________________________________________

Fecha_________________________________

Revisó ________________________________

PRACTICA No. 2

EL NUCLEO ATOMICO

GUIA DE INVESTIGACIÓN PREVIA

Si jugaras canicas en una habitación a oscuras o con los ojos vendados como

sabrías que le has pegado a una canica y cuantas canicas necesitarías,

OBJETIVO: conocer el procedimiento que se empleó para descubrir el núcleo

atómico.


MATERIAL

Canicas

Cartulina 50X30 cm

Figura (tapa metálica, bloque de madera)

Láser

Papel Aluminio (20X20cm)


La idea de átomo nuclear se originó en 1911, a consecuencia de los

experimentos efectuados por Ernest Rutherford, en los que las partículas alfa

EXPLICA

______________________________________

______________________________________

______________________________________

______________________________________

______________________________________

eran dispersadas mediante una delgada hoja metálica. La expresión “átomo

nuclear” se refiere al hecho de que un átomo consiste en un pequeño núcleo

con carga positiva rodeado a distancia relativamente grandes por varios

electrones, cuya carga negativa es igual a la carga nuclear positiva cuando el

átomo es eléctricamente neutro.

DESARROLLO EXPERIMENTAL.

1. A aproximadamente 1 metro de distancia traza una línea de 50 centímetros,

como se ve en la figura 1 y marca cada 10 centímetros. Coloca un cartón sobre

una figura geométrica (sin que se den cuenta de su ubicación).

2. Uno de tus compañeros lanzara disparos con las canicas por debajo de la

cartulina, primero 5 en primera marca, luego otros 5 en la segunda, hasta pasar

por todas (tratar de que los disparos sean lo más lineal posible).

DISTANCIA No DE DISPAROS RESULTADO

0

10 cm

20 cm

30 cm

40 cm

50 cm

3. Coloca nuevamente una figura debajo de la cartulina y por medio del

procedimiento anterior, no solo averigua dónde está, sino qué forma tiene y

aproximadamente qué dimensión.

FIGURA

1

Reporta tus resultados

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

4. Coloca nuevamente una figura cuadrada o triangular (sin que se entere la

persona que lanzara las canicas) debajo de la cartulina y por medio de las

canicas, averigua donde está y que forma tiene. Reporta tus resultados:

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

5. Forra una figura con papel aluminio y repite el procedimiento anterior pero

ahora utiliza un láser, averigua su figura y tamaño.

DIBUJA EL EXPERIMENTO

ANÁLISIS DEL DESARROLLO.

Explica el experimento

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_______________________________________________________________

CUESTIONARIO.

1) ¿Qué descubrió Rutherford con su experimento?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

2) ¿Cómo se llamó el experimento que hizo Rutherford?

_______________________________________________________________

3) ¿Por qué dedujo Rutherford que existía algo en su experimento?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

4) ¿Qué es más grande el núcleo o un electrón?

Explica_________________________________________________________

_______________________________________________________________

5) ¿Qué carga dedujo Rutherford que tiene el núcleo?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

CONCLUSION

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Nombre del alumno ___________________________________

Fecha ____________________

Reviso__________________

PRÁCTICA No. 3

DISPERSIÓN NUCLEAR

Guía de investigación previa

A veces las personas tienen que recurrir a algo más que su sentido de la vista

para determinar la forma y tamaño de las cosas, sobre todo si éstas son más

pequeñas que la longitud de onda de la luz.

¿Cómo crees que se puede determinar el diámetro de los átomos?

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_______________________________________________________________

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¿Qué método se sigue para conocer la estructura atómica?

_______________________________________________________________

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Una forma de lograrlo consiste en disparar partículas contra el objeto que se

investiga y estudiar las trayectorias de las partículas desviadas por él. Los

físicos hacen esto con aceleradores de partículas. Ernest Rutherford descubrió

el diminuto núcleo atómico en su experimento de la hoja de oro. ¿Cómo se

puede realizar un modelo similar y que sea comprendido fácilmente?

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_______________________________________________________________

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Los físicos hacen investigaciones para determinar las características atómicas

con aceleradores de partículas. En esta actividad estudiarás un método más

sencillo, pero similar al de Ernest Rutherford, ahora con canicas y en el

laboratorio. No se permite usar una regla o cinta métrica para medir las canicas

directamente. En lugar de eso, harás rodar otras canicas contra las canicas que

representan el blanco "nuclear" y a partir del porcentaje de lanzamientos que

resulten en colisiones, determinarás el tamaño del blanco. Esto se parece un

poco a arrojar bolas de nieve contra el tronco de un árbol con los ojos

vendados. Si sólo unos cuantos de los tiros logran golpearlo, puedes inferir que

el tronco es delgado.

OBJETIVO. Determinar el diámetro de una canica por medición indirecta.

MATERIAL

10 canicas

3 reglas de 1 metro

1 pie de rey




A: RAZONAMIENTO MATEMATICO

Para empezar, razona un poco y encuentra una fórmula para el diámetro de las

canicas nucleares (CN). Después, al final del experimento, podrás medir

directamente las canicas para comparar tus resultados.

Cuando haces rodar una canica hacia la canica nuclear, existe cierta

probabilidad de que se produzca un choque entre la canica que rueda (CR) y la

canica nuclear (CN). Una expresión de la probabilidad P de que haya un

choque es la razón entre la anchura de la trayectoria requerida para que el

choque se produzca y la anchura L de la región en la que están distribuidos los

blancos (ver la figura 1-1).

La anchura de la trayectoria es igual a dos veces el radio CR más el diámetro

de la CN como muestra la figura 1-2. La probabilidad P de que una canica al

rodar golpee una canica nuclear solitaria en el área de blancos es

Anchura de la trayectoria 2R + 2r 2(R + r)

P = ------------------------------------ = ----------- = ------------

Anchura del blanco L L

DONDE:

R = el radio de la CN r = el radio de la CR L = la anchura del área

de blanco

R + r = la distancia entre los centros de una CR y una CN que se tocan.

.

Fig 1 – 2

Si el número de canicas nucleares se incrementa a N, la probabilidad de

colisión aumenta por un factor de N (siempre que N sea lo bastante pequeña

como para que la probabilidad de colisiones múltiples también sea pequeña).

Por tanto, la probabilidad de que la canica que rueda golpee una de las N

canicas nucleares muy dispersas es:

2N(R+r)

P = -----------

L

La probabilidad de acertar también se puede determinar experimentalmente, y

es la razón entre el número de choques y el número de intentos.

H

P = -----

T

DONDE:

H = el número de choques T = el número de intentos.

Ahora cuentas con dos expresiones para calcular la probabilidad de una

colisión. Estas dos expresiones se pueden igualar. Si los radios de la canica

que rueda y la canica nuclear son iguales, entonces R + r = d, " donde d es el

diámetro de cualquiera de las canicas. Combina las dos últimas ecuaciones

correspondientes a P, y escribe una expresión para , d en términos de H, T, y

L.

HL

Diámetro de la canica d = ------

2TN

Ésta es la fórmula que ahora vas a poner aprueba

B: PROCEDIMIENTO

1. Coloca de 6 a 9 canicas en una región de 60 cm de ancho (L = 60 cm), como

muestra la figura 1. Haz rodar canicas adicionales al azar, de una en una, hacia

la región de los blancos desde el punto de salida. Si una canica al rodar golpea

dos canicas nucleares, cuenta sólo un choque. Si una canica rodante se sale

del área de 60 cm de ancho, no cuentes ese intento. Es necesario que realices

un número significativo de ensayos (más de 200) para que los resultados sean

estadísticamente significativos. Anota aquí el número total de colisiones H y el

número total de intentos T.

H= _______ T= _______

2. Usa la fórmula que se dedujo en el Razonamiento Matemático de esta

actividad, para encontrar el diámetro de la canica. Escribe tus operaciones.

Diámetro calculado = _________

3. Con ayuda de un pié de rey mide el diámetro de una canica. Diámetro

medido =____


1.- Compara tus resultados del diámetro determinado indirectamente en el

experimento de colisiones y el que mediste directamente. ¿Qué diferencia

porcentual hay entre esas dos formas de medir el diámetro?

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2.- ¿Qué sucede con la probabilidad si se modificara el tamaño del núcleo?

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_______________________________________________________________

3 ¿Tiene alguna importancia las matemáticas para realizar los cálculos y

obtener correctamente los resultados? Explica

_______________________________________________________________

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_______________________________________________________________

CUESTIONARIO

1.- ¿Qué quiere decir estadísticamente significativo?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

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2.- ¿Cuáles fueron los resultados de Rutherford en el experimento que se

menciona?

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3. ¿Cuál es el tamaño medio de un átomo?

_______________________________________________________________

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4. ¿Qué utilidad presenta el conocer el tamaño del átomo para la ciencia?

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5. Investiga el modelo del átomo que se acepta actualmente y descríbelo a

continuación:

_______________________________________________________________

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CONCLUSIONES

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Fecha _________________________________

Reviso __________________________________

PRÁCTICA No. 4

VIDA MEDIA Guía de investigación previa

Muchas cosas crecen según lo que se conoce como tasa de cambio

exponencial: la población, los intereses de depósitos de dinero en el banco y el

grosor de un papel que se dobla repetidamente sobre sí mismo. Muchas otras

cosas decrecen exponencialmente: la cantidad de espacio en un lugar donde la

población crece, la cantidad de combustible de un automóvil en movimiento.

Los materiales radioactivos también decrecen su radiación en forma

exponencial, lo que conlleva a su desintegración.

¿Qué entiendes por vida media de una población?

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¿Para qué nos sirve conocer la vida media de los materiales radiactivos?

_______________________________________________________________

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¿Qué aplicaciones científicas o tecnológicas tiene este principio? ¿Cómo

podemos simular la vida media de los átomos radiactivos?

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OBJETIVO: Desarrollar una explicación de la vida media y la desintegración

radiactiva.

COMPETENCIAS


MATERIAL:

Caja de zapatos con tapa

200 o más monedas pequeñas

Papel milimétrico


Una forma útil de describir la tasa de disminución consiste en hacerlo en

términos de vida media: el tiempo que tarda la cantidad en reducirse a la mitad

de su valor inicial. En el caso de la disminución exponencial, la vida media es

constante. Esto significa que el tiempo que tarda en reducirse una cantidad al

50% es el mismo que el requerido para pasar de 50% a 25%.

Los materiales radiactivos se caracterizan por su tasa de desintegración y se

clasifican en términos de su vida media. El número de núcleos inestables que

decaen o se desintegran en un tiempo puede ser predicho para un isótopo

determinado. La vida media es el lapso de tal magnitud que después de un

tiempo han perdido la mitad de sus átomos inestables


1.- Coloca las monedas en la caja de zapatos y tápala. Agita la caja durante

varios segundos. Ábrela y saca todas las monedas que tengan hacía arriba el

lado de la cara. Cuéntalas y anota el número en la tabla de datos. No vuelvas a

introducir en la caja las monedas que sacaste.

2.- Repite el paso 1 una y otra vez hasta que quede una sola moneda o

ninguna. Anota en la tabla de datos el número de monedas que sacaste en

cada ocasión.

3.- Suma los números de monedas extraídas para hallar el número total de

monedas. Ahora encuentra el número de monedas que permanecen en la caja

después de cada intento, restando el número de monedas extraídas después

de cada intento del número de monedas que quedaban previamente, y anota

esto en la tabla.

4.- Traza una gráfica del número de monedas que quedan en la caja (eje

vertical) contra el número de intento correspondiente (eje horizontal). Dibuja la

línea que mejor se ajusta a los puntos.

TOTAL DE MONEDAS

Número de intento

Número de monedas extraídas

Número de monedas que quedan

Número de intento

Número de moneda extraída

Número de monedas que quedan

1 6

2 7

3 8

4 9

5 10

GRÁFICA


1.- ¿Qué significado tiene la gráfica que obtuviste?

_______________________________________________________________

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2.- ¿Aproximadamente qué porcentaje de las monedas que quedaban en la

caja fueron extraídas en cada intento? ¿Por qué es ese resultado?

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3.-Cada intento significa una vida media para las monedas. ¿Qué significa vida

media?

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CUESTIONARIO

1.-¿Qué tipo de radiación es la que desprenden los átomos radioactivos?

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2.-Un átomo radioactivo es el Uranio 238 ¿Cuál es su vida media en años?

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_______________________________________________________________

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3.- ¿Qué relación tiene el decaimiento con la vida media?

_______________________________________________________________

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_______________________________________________________________

4.- Investiga que efectos positivos y negativos tienen los elementos radiactivos

para el hombre.

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_______________________________________________________________

5.- Investiga cómo se eliminan los desechos radiactivos en México, anótalo a

continuación.

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CONCLUSIONES

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Fecha _________________________

Revisó _________________________

PRÁCTICA 5

ACTIVIDAD INTEGRADORA Y

EVALUACIÓN DE UNIDAD Lista de cotejo para evaluar la correcta realización de las prácticas de

laboratorio. Puede usarse para evaluar práctica por práctica o las realizadas en

cada unidad.

Lista de cotejo para autoevaluación, coevaluación o Heteroevaluación

Auto- evaluación

Coe- evaluación

Competencias genéricas Criterio Si No Si No

5.4.- Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez.

Cumple con todos los pasos señalados establecidos en el apartado de: desarrollo experimental para obtener resultados pertinentes.

6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad.

Responde de manera correcta y con anticipación a la realización de la práctica, el apartado de: guía de investigación previa.

6.4.- Estructura ideas y argumentos de manera clara, coherente y sintética.

Durante la realización de las prácticas participa en la discusión de las preguntas previas, el desarrollo experimental y comparte sus opiniones con su mesa de trabajo.

Total

Competencias disciplinares Criterios Si No Si No

1. Valora de forma crítica y responsable los beneficios y riesgos que trae consigo el desarrollo de la ciencia y la aplicación de la tecnología en un contexto histórico-social, para dar solución a problemas.

Redacta conclusiones personales donde: Valora de forma crítica y responsable los beneficios y riesgos que trae consigo el desarrollo de la ciencia y la aplicación de la tecnología en un contexto histórico-social, para dar solución a problemas.

8. Confronta las ideas preconcebidas acerca de los fenómenos naturales con el conocimiento científico para explicar y adquirir nuevos conocimientos.

Responde de manera correcta los cuestionamientos del Análisis del desarrollo.

Responde, de manera correcta mínimo el 80% del cuestionario final.

Total

PRÁCTICA No. 6

REACCIÓN EN CADENA Guía de investigación previa

Si estás resfriado, puedes contagiar a dos personas; cada una de ellas, a su

vez, puede contagiar a otras dos, y cada una de esas dos puede contagiar a

otras dos. Antes de lo que te imaginas, todos los alumnos de la escuela estarán

estornudando. Has desatado una reacción en cadena. En forma similar, los

electrones del tubo fotomultiplicador de un instrumento electrónico se

multiplican en una reacción en cadena, de modo que una señal de entrada

pequeña produce una señal de salida descomunal.

¿Cómo crees que se realiza la reacción en cadena en las bombas

atómicas?_______________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

¿En qué otra actividad se utiliza la reacción en cadena?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

OBJETIVO: Simular una sencilla reacción en cadena.

COMPETENCIAS


MATERIAL 100 fichas de dominó 1 Mesa grande o espacio nivelado en el suelo 1 Cronómetro


La reacción en cadena atómica ocurre cuando un neutrón hace que se liberen

dos o más neutrones en un trozo de uranio, y cada uno de esos neutrones

desencadena la liberación de más neutrones (junto con la liberación de energía

nuclear).

Los resultados de este tipo de reacción en cadena pueden ser devastadores si

se utilizan de forma bélica o sin control. Algunas aplicaciones serias han tenido

buenos resultados en obtención de energía.

En esta actividad explorarás las reacciones en cadena usando fichas de

dominó, de tal forma que observes la velocidad y cantidad de movimiento que

puede producir una sola en movimiento


1.- Acomoda una hilera de fichas de dominó, separadas entre sí

aproximadamente la mitad de la longitud de una ficha, formando una línea recta

“El efecto dómino” Empuja la primera ficha y mide cuánto tiempo tarda en caer

toda la hilera de fichas. Observa también si el número de fichas que caen por

segundo aumenta, disminuye o se mantiene invariable a medida que el' pulso

recorre la hilera de fichas.

2.- Acomoda las fichas en una disposición de manera que la primera ficha

pueda derribar dos y esas dos cuatro y esas cuatro entre seis u ocho y así

sucesivamente. Cuando termines de acomodar todas tus fichas, empuja la

primera y mide el tiempo que tardan en caer todas las demás, o casi todas.

Asimismo, observa si el número de fichas que son derribadas por unidad de

tiempo aumenta, disminuye o permanece más o menos igual.


1. ¿Con cuál de los dos métodos cayeron las fichas en menos tiempo, con las

fichas alineadas o con las fichas colocadas al azar?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

2. ¿Cómo cambia el número de fichas derribadas por unidad de tiempo con

cada procedimiento?

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_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

3: ¿Qué hace que termine la secuencia de fichas derribadas?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

CUESTIONARIO

1. Imagina que las fichas representan a los neutrones liberados por átomos de

uranio cuando se fisionan (se separan. Los neutrones del núcleo de cada

átomo de uranio que se fisiona golpean contra otros núcleos de uranio

haciendo que también se fisionen. En un, trozo de uranio suficientemente

grande esta reacción en cadena continuará creciendo mientras no se controle

el proceso. Una explosión atómica se produciría entonces en sólo una fracción

de segundo. ¿Cuál es la semejanza entre la reacción de las fichas de dominó

en el paso 2 y el proceso de fisión atómica?

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_______________________________________________________________

2. ¿En qué son diferentes la reacción de las fichas en el paso 2 y el proceso de

fisión atómica?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

3. Realiza la desintegración del uranio por eliminación de una partícula alfa.

U 92

4. El Selenio 80 radiactivo se desintegra por emisión beta. ¿Qué elemento se

forma?

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

5. Una sustancia radiactiva tiene una vida media de 14.8 años. Si se tiene una

muestra inicial de 25X10-4 Kg ¿Cuántos gramos quedaran al cabo de 5 vidas

medias? ¿Cuánto tiempo transcurrirá para llevarse a cabo 9 vidas medias?

_______________________________________________________________

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CONCLUSIONES

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Fecha _________________________

Revisó _________________________

Práctica No. 7

ESPECTROS DE ABSORCIÓN Y EMISIÓN GUÍA DE INVESTIGACIÓN PREVIA

1. ¿Cómo crees que los investigadores pueden diferenciar a los elementos

que componen la materia?

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_______________________________________________________________

2. Si pones a la flama de un mechero una pequeña cantidad de Na,

observaras el destello de una flama característica. ¿Esto te serviría para

establecer que una muestra de cualquier sustancia presenta Sodio? ¿Por qué?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

3. Las estrellas del universo emiten radiación, en base a esta radiación los

científicos determinan su composición. ¿Cómo lo llevan a cabo?

_______________________________________________________________

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_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

OBJETIVO: Obtener un espectro por medio de la luz emitida por diferentes

fuentes de iluminación.

COMPETENCIAS

Genéricas 5.4.- Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.4.- Estructura ideas y argumentos de manera clara, coherente y sintética. Disciplinares de las ciencias experimentales 1. Valora de forma crítica y responsable los beneficios y riesgos que trae consigo el desarrollo de la ciencia y la aplicación de la tecnología en un contexto histórico-social, para dar solución a problemas.

8. Confronta las ideas preconcebidas acerca de los fenómenos naturales con el

conocimiento científico para explicar y adquirir nuevos conocimientos.

MATERIAL

Caja de cereal

Disco compacto CD

Navaja o Cúter

Cinta adhesiva

Hoja blanca y colores


La materia emite luz de longitud de onda específica (colores) cuando se pone al rojo (brillando como consecuencia del calentamiento), o, en el caso de algunas sustancias, cuando la luz blanca las

atraviesa. Las diferentes longitudes de onda emitidas se llaman espectro de emisión. Cuando la misma materia está en su estado normal, absorberá luz de exactamente las mismas longitudes de onda. Esta luz se llama espectro de absorción. Es posible identificar un material desconocido mediante un proceso llamado espectroscopia, comparando sus espectros de emisión o absorción con otros de materiales conocidos.

Existen distintos tipos de espectroscopia que son particularmente útiles para determinar la composición química de un material. Esto es posible porque los distintos elementos químicos tienen espectros característicos diferentes. Normalmente, todos los electrones están en su estado más bajo posible de energía y el átomo, como un todo, se dice que está en su estado “fundamental” o que no está excitado. Si se suministra energía al átomo, por

ejemplo, calentando una sustancia, exponiéndolo a la luz, o bombardeándolo con electrones, los electrones propios del átomo pueden saltar hacia niveles de

energía más elevados. Cuando los electrones se encuentran en niveles más elevados, se dice que el átomo está excitado. El proceso por el que los electrones atómicos se excitan hacia estados de energía elevada, antes de volver a su estado fundamental, explica cómo las sustancias absorben y emiten luz. Este proceso se conoce genéricamente como dispersión de la luz, y explica por qué vemos las cosas y por qué se ven los objetos con colores diferentes. DESARROLLO EXPERIMENTAL La construcción del espectrómetro con una caja de cereal. El CD está colocado a un ángulo de 60° con respecto al fondo de la caja.

Podemos dar buen uso a estas redes de difracción hogareñas para construir nuestro propio espectrómetro. Éste consiste en dos elementos importantes: un CD, que separa la luz en sus diferentes colores, y una rendija angosta del lado opuesto de la caja que produce un haz de luz angosto. Se hace la rendija en un costado de la caja usando papel grueso y cinta adhesiva. Se puede hacer un modelo algo más elaborado usando dos hojas

de afeitar, ubicándolas con las partes filosas enfrentadas y uniéndolas con cinta adhesiva, como se muestra en la imagen. Si la rendija es demasiado ancha, el espectro se verá borroso; y si es muy angosta, será demasiado tenue. Un ancho de 0,2 mm parece estar bien, pero se puede experimentar. La calidad de los espectros obtenidos depende de la calidad de la rendija, por eso se la debe hacer con cuidado. Del otro lado de la caja, se coloca un CD (el autor utilizó un CD en blanco regrabable) a un ángulo de 60° con respecto al fondo de la caja. Se hace un agujero en la parte de arriba por la que se puede ver el CD. Se debe cubrir todo espacio que haya alrededor del CD con cinta oscura para reducir la dispersión luminosa. Para observar un espectro, dirija la rendija hacia una fuente de luz (cuanto más cerca, mejor), y mire a través del agujero de arriba. Mueva la caja un poco para darse cuenta de lo que está viendo. Puede hacer fotos de los espectros observados usando una cámara digital simple con capacidad “macro” para un enfoque de primer plano, ligada a la caja con cinta o bandas elásticas. Es preferente que la cámara tenga enfoque manual, ya que obtener espectros definidos con enfoque automático puede ser difícil. Realiza las observaciones a distintas fuentes de luz, un foco ahorrador, una lámpara de gas, luz de una pantalla de computadora, vela con sodio (sal), luz solar y para cada observación toma la fotografía del espectro.

Con tus propias palabras describe cada uno de los espectros de tus fotografías _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ En una hoja blanca, dibuja los espectros observados, los cuales deberás anexar a la práctica de laboratorio

Luz Solar

Foco ahorrador

Lámparas de laboratorio

Pantalla de computadora

Vela con sodio

¿Si se hace incidir otro tipo de luz en el prisma ¿se obtendrán otros colores?, ¿Por qué? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________

Repite el procedimiento, pero ahora utiliza el láser en lugar del iluminador. ¿Fue correcta tu predicción anterior? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________

ANÁLISIS DEL DESARROLLO

1. ¿Tiene alguna importancia la separación entre la rejilla, la posición de la

superficie reflejante (60°), para observar con perfección el espectro?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

2. ¿Qué aplicación tiene el principio anterior para la investigación espacial?

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_______________________________________________________________

CUESTIONARIO

1. ¿A qué se debe que al pasar el haz de luz a través del prisma se observen

los colores?

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2. ¿Qué es la radiación ultravioleta y que color presenta?

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_______________________________________________________________

3. Explica la relación que existe entre la reflexión y los colores.

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_______________________________________________________________

4. Investiga cómo se determina cuando un astro se acerca o se aleja de la

tierra, anótalo a continuación.

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5. Fundamenta la siguiente frase “El espectro de un elemento cualquiera es su

huella digital”

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CONCLUSION

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Nombre del alumno _________________________________________

Fecha _______________________

Reviso ______________________

PRÁCTICA No.8

EFECTO FOTOELÉCTRICO Guía de investigación previa

Define el efecto fotoeléctrico a partir de dos fuentes bibliográficas diferentes:

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Anota dos usos modernos del efecto fotoeléctrico

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OBJETIVO: Conocer el efecto fotoeléctrico.

La historia del efecto fotoeléctrico representa de manera muy viva cómo funciona la

investigación científica, la interrelación estrecha que existe entre Teoría y Experimento.

Heinrich Hetz diseñó un aparato experimental para producir y detectar ondas

electromagnéticas tal como se predecía en la teoría electromagnética de Maxwell (una

notable aplicación del método hipotético-deductivo en Ciencia), al detectarlas confirmó

de manera inequívoca la teoría de este, y por lo tanto la naturaleza ondulatoria de la

luz, pero por otra parte la historia nos enseña como la aparición de un nuevo fenómeno

experimental no previsto (cuando esto ocurre se dice que fue descubierto por

serendipia), mientras se realizaba el experimento fundamental espolea la búsqueda de

una explicación teórica adecuada del mismo, explicación que la propia teoría clásica de

Maxwell fue incapaz de ofrecer en el caso del efecto fotoeléctrico, y solo con la

explicación cuántica de Einstein, lo que suponía salirse del marco conceptual y teórico

continuista, de la física clásica (llamado por el epistemólogo Thomas Samuel Kuhn

(1922 - 1996 ) paradigma, en su famoso libro: La Estructura de las Revoluciones

Científicas) y adentrarse en un nuevo marco conceptual de discontinuidad mecanico

cuántica poniendo de manifiesto la dualidad básica onda-corpúsculo característica

esencial de la naturaleza física de la luz y de la materia. (wikillerato (2009) Efecto

fotoeléctrico. Disponible en:

http://www.wikillerato.org/La_ley_de_Einstein_del_efecto_fotoel%C3%A9ctrico.html)

COMPETENCIAS:

Genéricas 5.4.- Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez.

6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.4.- Estructura ideas y argumentos de manera clara, coherente y sintética. Disciplinares de las ciencias experimentales 1. Valora de forma crítica y responsable los beneficios y riesgos que trae consigo el desarrollo de la ciencia y la aplicación de la tecnología en un contexto histórico-social, para dar solución a problemas. 8. Confronta las ideas preconcebidas acerca de los fenómenos naturales con el conocimiento científico para explicar y adquirir nuevos conocimientos.

MATERIAL

Manual de prácticas.

Lápiz y papel


Antecedentes.

Maxwell, entre 1864 y 1873, resumió en cuatro fórmulas matemáticas toda la

electricidad y el magnetismo y señaló que el campo electromagnético era una

onda que viajaba a la misma velocidad de la luz (velocidad que dedujo de

magnitudes eléctricas y magnéticas:

1c )

La conclusión de que la luz era un fenómeno electromagnético indujo a los

experimentadores a buscar el efecto de la luz sobre los fenómenos eléctricos.

En 1887, Hertz, y más tarde Hallwachs, realizaron el siguiente experimento.

Colocaron una placa de cinc en un electroscopio al que iluminaba con la luz

procedente de la chispa que saltaba en un arco voltaico y observaron lo

siguiente:

Si el electroscopio y la lámina de cinc estaban cargados negativamente, se

descargaban al iluminarlos ( se juntaban las láminas del electroscopio).

Si el electroscopio y la lámina de cinc estaban cargados positivamente no

se descargaba al iluminarlo.

Si estaba cargado negativamente y se interpone una cristal entre el arco y

la lámina de Zn, no se produce descarga aunque aumentara la intensidad

de la luz.

Explicar estos hechos aplicando la teoría de la mecánica clásica 1sobre las

ondas luminosas es imposible.

Una posible explicación-resumen en aquel momento (final del siglo XIX) sería:

“La luz es capaz de extraer los electrones cuando hay exceso de ellos sobre el

metal (cargado negativamente). Si el electroscopio está cargado positivamente

puede que la luz extraiga algunos electrones pero no logra arrancarlos y

alejarlos de la placa y vuelven a caer en ella, por tanto la carga del

electroscopio no varía. El cristal absorbe la luz ultravioleta y al interponerlo

entre la luz y la lámina del electroscopio absorbe la componente más

energética de la radiación y por ello la radiación que queda no puede extraer

electrones”.

La explicación aportada por la teoría de la mecánica clásica sería: La energía

de una onda está repartida sobre el frente de onda y es proporcional al

cuadrado de la amplitud y de la frecuencia (dE = ½ dm V2 = ½ ·4r2v·dt· w2A2

=½ ·4r2v·dt· (2)2· A2). La Intensidad (E / t·área) también mantiene la misma

proporcionalidad).

1 La mecánica clásica supone que la energía transportada por la luz está repartida sobre la onda y se

debería repartir sobre todos los átomos en los que incide el haz. La energía, repartida equitativamente

entre los átomos, es incapaz de extraer los electrones salvo que se acumule en ellos y así tendríamos que

esperar mucho tiempo para alcanzar la energía de extracción y, entonces, todos saldrían de golpe.

La luz incidente aporta una cantidad de energía sobre la superficie de la placa

tanto mayor cuanto más potente sea el foco o mayor el número de focos, pero

aunque esta energía aumente mucho, si no es de la calidad adecuada

(frecuencia adecuada), no es capaz de arrancar electrones. Además el cristal

interpuesto no evita que llegue una gran cantidad de energía, ya que sólo

retiene alguna (el cristal no se calienta hasta fundirse). A más tiempo de

exposición a la radiación más energía incidente y al final se produciría la

extracción repentina de todos los electrones. Pero esto no sucede.

La T. Clásica no encuentra explicación y lo más que puede decir es que la

extracción no depende “sólo” de la intensidad (I) de la luz incidente.

Si el campo eléctrico -E- de la onda electro-magnética (E equivale a Amplitud)

fuera responsable de la extracción, tendríamos que pensar que al incrementar

la intensidad de la radiación la energía cinética de los electrones extraídos

también se incrementaría (I |E|2). Como no es así, hay que buscar otra

teoría que expliquen el fenómeno.

En 1902, Lenard realizó una experiencia similar a la realizada por Thomson y

observó que hay un potencial de corte de emisión que es independiente de la

intensidad de la luz que incide. Duplicando la intensidad, solo se duplica el

número de electrones extraídos, pero no su energía.

Einstein explica que la luz privada de las radiaciones de mayor frecuencia, las

más energéticas, absorbidas por el cristal interpuesto (ver el primer ejemplo)

no es capaz de arrancar los electrones. No es tanto la cantidad de energía que

llega a la superficie del metal, como la calidad de esa energía – es necesario

que lleguen unos fotones muy energéticos-

Nota curiosa.- Hertz realiza la producción y detección de las ondas

electromagnética (ondas herzianas) y demuestra que se propagan a la

velocidad de la luz, confirmando así que la luz es una onda electromagnética

(teoría ondulatoria). Pero al mismo tiempo, con el experimento anterior, pone

la base para demostrar que la luz también está formada por partículas

(fotones). En esto se funda la teoría corpuscular.

Hechos experimentales

Tenemos un esquema como el de la figura 1, en el que la ventana es de

cuarzo y se han tomado las siguientes precauciones: el tubo de vacío ha sido

cocido previamente para que desprenda la mayor cantidad de gas que luego

podría ser ionizado por la luz; el ánodo está recubierto de CuO para que no

desprenda electrones al ser iluminado y todos procedan de la extracción

efectuada sobre el cátodo, o el ánodo, según la conexión; las superficies del

cátodo deben estar limpias, etc.

Realizamos primero la conexión de la figura 1, poniendo el potenciómetro2 de

manera que la parte negativa (cátodo) sea la iluminada, con lo cual un

aumento de potencial hará que los electrones arrancados sean encaminados

por un campo eléctrico hacia la otra placa (ánodo), llegando más electrones

cuanto mayor sea el potencial aplicado. Procedemos a variar el voltaje que nos

suministra el potenciómetro y a registrar la intensidad de corriente (i) para una

intensidad de radiación luminosa dada (I) y para luz de una determinada

frecuencia (luz monocromática, un solo color). Con los datos obtendremos una

tabla de valores que representados dan la figura 2.

Figura 1 Figura 2

2 El potenciómetro es un sencillo montaje consistente en una resistencia variable

conectada en serie a una batería, con el podemos obtener valores de voltaje entre cero y

el máximo de la batería.

i

V Vo

I=cte. cte

Incluso para V=0 algunos electrones de los arrancados del metal son capaces

de atravesar el tubo y detectamos una intensidad de corriente - i - . Si

aumentamos el potencial, el número de electrones que atraviesan el tubo

aumenta y llega un momento en que todos los electrones arrancados del metal

son captados en el ánodo y, aunque aumentemos el potencial, la corriente

eléctrica –i- no aumenta.

Si invertimos las conexiones del

potenciómetro (figura 3), podemos

hacer que el metal del cual la luz

arranca electrones sea ahora positivo

y muchos electrones arrancados

retornan a él. Los más rápidos llegan

al otro lado y el amperímetro indica

conducción. Si aumentamos el potencial con esta conexión invertida, llegará

un momento en que todos los electrones arrancados retornan, no cruza

ninguno, y por lo tanto i=0. El valor del potencial en ese momento se llama

potencial de corte- Vo -.

Repetimos la experiencia pero ahora con el mismo tipo de luz pero de doble

intensidad, (2·I) (dos focos de luz), lo que supone tener luz de la mismas

características pero un mayor número de fotones. Logramos así arrancar más

electrones. A mayor intensidad de luz -I-, mayor número de electrones, mayor–

i- pero no electrones más rápidos. Cuando invertimos la polaridad obtenemos

el mismo potencial de corte –Vo- para todas las intensidades de luz -I-. Para

ese potencial de corte la intensidad

de corriente es cero (i=0). Figura 4

Realizamos la experiencia con el

montaje anterior, pero cambiando el

tipo de luz (variando su frecuencia)

aunque manteniendo siempre la

Figura 1

Figura 3

Figura 4

V

0 V

I3

I2

I1

Figura 5 V1 V2

V3

V

misma intensidad. Ej radiamos con luz de I= 500 watios/m2 y repetimos las

medidas variando la longitud de onda. Empezamos con 550 nm, después con

la misma I pero 300 nm, y más tarde con la misma I y 200 nm.... 50 nm. El

gráfico obtenido es parecido a las anteriores pero ahora el potencial de corte es

distinto, mayor (más a la izquierda) cuanto mayor sea la frecuencia de la luz.

Figura 5.

La explicación de este fenómeno la

dio Einstein en 1905 afirmando que la

energía no se transmite repartida en

toda la onda (como se suponía en la

teoría clásica), sino agrupada en

unos paquetes de energía que llamó

fotones (partícula sin masa en reposo,

pero con una cantidad de movimiento

y energía) que se mueven con la onda. O mejor aún, que al moverse son

guiados por una onda. En determinadas experiencias sólo se detecta las

características de onda y no sus fotones. Cuando la luz llega a la superficie del

metal la energía no se reparte equitativamente entre los átomos que componen

las primeras capas en las que el haz puede penetrar, por el contrario sólo

algunos átomos son impactados por el fotón que lleva la energía y, si esa

energía es suficiente para extraerlos de la atracción de los núcleos, los arranca

del metal.

Esta explicación coincide con los hechos experimentales, puesto que de

repartirse la energía entre los trillones de átomos en los que incide la radiación,

tardarían años en acumular la energía necesaria para ser extraídos y todos los

electrones superficiales de los átomos de la superficie abandonarían el metal

de golpe al cabo de ese tiempo. Por el contrario desde que incide la radiación a

la extracción del electrón transcurren sólo algunos nanosegundos. Sólo unos

pocos electrones de los millones que componen las capas superficiales son

extraídos. La energía emitida es discontinua, en paquetes (lo enunció Plank,

que creía que se propagaba repartida en la onda, como afirmaba la teoría

clásica). En la realidad se transmite e impacta de manera también discontinua

o discreta, en paquetes (esta es la aportación de Einstein).

Definición de términos (Glosario):

Fotón.- El fotón es una partícula cuya carga y masa en reposo son nulas y que

se mueve continuamente a la velocidad de la luz. Una luz muy intensa es

aquella que posee muchos fotones; una luz muy energética es la que posee

fotones de gran energía. A cada fotón le corresponde una determinada energía

que es función de la frecuencia de la radiación en la que se integra - mayor

frecuencia mayor energía-.

E= h Toda radiación se compone de fotones integrados en una onda.

h = constante de Plank 6’64 ·10-34

jul·s

Trabajo de extracción.- Energía que debemos aportar a un electrón para

arrancarlo de un metal. Según la posición que ocupe el electrón en el átomo

necesitará más o menos energía.

Velocidad de escape.- Velocidad a la que se mueve el electrón extraído

Potencial de corte.- Voltaje necesario para crear un campo electrostático que

frene a los electrones extraídos, los cambie de sentido y los devuelva a la

superficie del metal.

Energía cinética máxima.- La que tienen los electrones extraídos que se

mueven más rápidos, que se corresponden con los menos ligados en el metal,

o sea los que requieren menor trabajo de extracción.

Energía del fotón E= h Cantidad de movimiento del fotón (p). P = hc; C= velocidad de la luz

Radiación, onda y partícula.- Se las determina por sus parámetros de

longitud de onda, frecuencia, cantidad de movimiento y energía.

Resumen: Conclusiones de los hechos experimentales

El efecto fotoeléctrico no sólo existe en los metales. Se pueden extraer

electrones de los átomos que constituyen las moléculas de un gas, de un

líquido o de un sólido.

Figura 6

1.-La intensidad de la corriente fotoeléctrica (i, amperios, reflejo del número de

electrones liberados) que origina una radiación de una determinada longitud de

onda que incide sobre una superficie metálica aumenta si aumentamos la

intensidad de radiación (I, watios/m2).

2.- Cada metal requiere, para que se produzca la extracción, una radiación de

una frecuencia mínima (o). Otra radiación de menor frecuencia no será

capaz de arrancarle electrones. Por debajo de la frecuencia mínima “i” será

cero (no hay efecto fotoeléctrico).

3.- La emisión es prácticamente instantánea y no depende de la Intensidad -I,

watios/m2-

de la luz incidente. El tiempo es del orden de 10 –9

s (1 nanosegundo).

4.- La energía cinética de los

electrones emitidos depende de la

frecuencia de la radiación incidente y

de la posición que ocupe ese electrón

que va a ser extraído en el metal.

hh = ½ m v2.

(La energía incidente menos el

trabajo de extracción es igual a la

energía cinética del electrón

extraído). Ecuación de Einstein

5.- Existe un potencial de corte (Vo ) o

potencial de frenado para el que i=0.

Este potencial de corte es independiente de la intensidad de la radiación (I),

pero depende de la frecuencia de esa radiación.

El producto del potencial por la carga es trabajo (por la definición de potencial

V= W/q). El trabajo de frenado (Voq), debe ser suficiente para frenar a los

electrones más rápidos, que son los que estaban menos ligados.

Vo · qe = ½ m v2.

Según la teoría de conducción metálica de Sommerfield los electrones de

conducción tienen diferentes energías de enlace. Se puede establecer la

distribución de electrones por energías aplicando la teoría estadística de Fermi-

Dirac.

Figura 7

V0

·qe

h

K

Na

En el gráfico anterior vemos varios electrones (bolas rojas). El electrón ligado al

metal con una energía Em (máxima) es extraído, alcanzando la energía cinética

máxima. Otro electrón más ligado,

situado en Ei, requerirá más energía

de extracción y le quedará menos

para su energía cinética. Un electrón

muy ligado no podrá ser extraído.

Millikan realizó el estudio de la

relación entre el potencial de corte –

V0- y la frecuencia de la luz incidente

iluminando diferentes metales. Iluminó sodio y potasio con luces de distinta

frecuencia.

Obtuvo unos valores para los potenciales de corte que representados frente a

la frecuencia, tal como se muestra, dan rectas de pendiente igual para

cualquier metal. La pendiente es la constante de Plank –h-.

En realidad estamos representando la energía cinética máxima de los

electrones frente a varias frecuencias de luz incidente.

Voq = ½ m v2. El Potencial multiplicado por la carga del electrón es igual al

trabajo. Se denomina energía máxima por fotoelectrón:

V o · q = hh

(frecuencia umbral) , es la frecuencia mínima de la luz necesaria para

extraer electrones de un metal dado que lleva asociada una energía h

La frecuencia de extracción es menor para el potasio que para el sodio.

Lo sorprendente

La nueva teoría contradice “el sentido común”. Una luz potente (intensa) no

logra electrones más energéticos que los que logra una luz débil.

Aplicaciones

Se construyen células fotoeléctricas basándose en el efecto fotoeléctrico. Estas

células se utilizan como interruptores. Colocadas en un circuito conducen

cuando se iluminan y lo bloquean cuando no incide en ellas la luz. En

combinación con relés forman parte de muchos mecanismos automáticos. En

la puerta de un ascensor un rayo incide sobre una célula fotoeléctrica situada al

otro lado. Cuando se interrumpe el rayo la célula no conduce y el relé

conectado a ella conmuta de posición volviendo a la antigua conexión.


Observa los siguientes videos y posteriormente revisa y analiza los problemas

que se presentan a continuación.

Vallejo C. (2013) Física. Disponible en:

https://www.youtube.com/watch?v=8n96AUDg8ow

UAN (2014) Efecto fotoeléctrico. Disponible en:

https://www.youtube.com/watch?v=gH3QtgqJqjw

PROBLEMAS 1.- Tenemos un cubo de sodio de cara de 1 cm

2: masa atómica 22’98; densidad

0’97 g/cm3. Suponiendo que los átomos están repartidos equitativamente por

capas, calcula el número de átomos situados en la capa superior.

Si en 22’9 gramos tenemos 6’023·1023 átomos, en 0’97 gramos tenemos

0’25·1023átomos.

Como 0’97 gramos ocupan 1 cm3, en este volumen tenemos 0’25·10

23 átomos.

Repartidos equitativamente dan hileras de 2’9·107 átomos. Casi 30 millones de

átomos por fila.

En la capa superior de 1 cm2 tendremos 8’4·10

16 átomos colocados en filas

equiespaciadas. En cada átomo de un metal alcalino hay un electrón muy poco

ligado, con lo que obtenemos el mismo número de electrones que de átomos

candidatos a tener una energía cinética máxima.

Si suponemos que la absorción de la luz se da en las 10 primeras capas, y que

cada capa tiene un espesor de un átomo, tenemos 84·10 16 electrones

fácilmente extraíbles por su posición y energía.

2.- Suponiendo que iluminamos la superficie de ese sodio con luz violeta de

intensidad 10-6

watios/m2 y que la energía se reparte equitativamente, calcula la

cantidad de energía que le corresponde a cada uno de los electrones menos

ligado situados en las 10 primeras capas sobre las que incide la luz.

Nota.- Parte de la energía incidente se refleja y tendríamos que saber qué % de

ella rebota o hacer esta consideración en el problema. Se supone que se refleja

un 0%.

https://www.youtube.com/watch?v=8n96AUDg8ow

https://www.youtube.com/watch?v=gH3QtgqJqjw

Si se lamina el sodio del problema anterior en una superficie de 1 m2

tendrá

8’4·1016 átomos /cm

2 multiplicados por 10

4 cm

2 que tiene la superficie de 1 m2.

Obtenemos 8´4·1020 átomos/capa. Y si suponemos que la luz penetra en 10

capas la energía se reparte entre esos 84·1020 átomos.

Cada átomo recibe 10-6 watios / 84·10

20. Cada átomo recibe menos de 10

-27

watios. Esta es la cantidad que recibe cada electrón suponiendo un reparto

equitativo.

Si los pasamos a electrón voltios por segundo (e.v./s) tendremos: (Sabiendo

que 1’6 .10-19

julios =1e·v.)

10-27

julio/s = 10-27

/ 1’6 .10-19

= 0’6 ·10-8

e.v./ s

Cada electrón de esas 10 primeras capas recibe menos de 10-8

e.v./s y como

el trabajo de extracción es del orden de 1 e.v. tendría que estar llegando luz (en

el caso de acumularse la energía ) más de 10 8

s . Como cada año tiene 3´15

·10 7

s se necesitarían más de 3 años.

Por el contrario sabemos que la emisión fotoeléctrica es instantánea, lo que

lleva a una distribución de la energía arbitraria y a impactos aleatorios de un

fotón (que lleva concentrada la energía) con un electrón.

3.-Una radiación de luz ultravioleta de 3.500 A de longitud de onda (1ª=10-10

m)

incide sobre una superficie de potasio. Si el trabajo de extracción de un

electrón del potasio es de 2 e.v. calcula:

a) La energía por fotón de la radiación incidente.

b) La energía máxima de los electrones extraídos.

c) La velocidad máxima de esos electrones.

Energía incidente por fotón = h /= 6’6·10-34

julios.s · 3·108m/s·10

10 A /m

/3.500 A = 5´7·10-19

julios

Si 1’6 .10-19

julios = 1e·v. En e.v. son 3’6 e.v.

Aplicando hh = ½ m v2

Energía máxima del fotoelectrón = 3’6 –2 = 1’6 e.v.

La velocidad máxima la calculamos aplicando ½ m v2

= Ec máxima: ½ ·9’1·10-31

·

v2= 1’6(1’6·10

-19)

V max = 7’5 ·105

m/s

CUESTIONARIO

1.- ¿Cuáles son las formulas, constantes y cantidades que suelen usarse

durante el trabajo con problemas relacionados con el efecto fotoeléctrico?

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CONCLUSIONES

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Nombre del alumno _________________________________________ Fecha _______________________ Reviso ______________________

Desarrollo experimental basado en: IES Monelos (2000) Efecto fotoeléctrico.

Disponible en: https://es.scribd.com/document/325688775/Efto-Fotoelectico-

doc

PRÁCTICA No. 9

MICROSCOPIO ELECTRÓNICO Guía de investigación previa

1. ¿Qué es un microscopio y para qué te sirve?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

La mecánica cuántica es el estudio del mundo a pequeña escala que incluye la

predicción de las propiedades ondulatorias de la materia.

Al iniciarse el siglo xx las nuevas tecnologías alcanzaron niveles que

permitieron a los científicos diseñar experimentos para explorar el

comportamiento de partículas muy pequeñas. En 1897 con el descubrimiento

del electrón y la investigación de la radiactividad, más o menos en esos

mismos años, los experimentadores comenzaron a explorar la estructura

atómica de la materia. En 1900 el físico teórico alemán Max Planck supuso que

los cuerpos calientes emiten energía radiante en paquetes discretos, que llamó

cuantos. Según Planck, la energía de cada paquete es proporcional a la

frecuencia de la radiación. Su hipótesis inició una revolución de ideas que

cambiaron por completo nuestra forma de concebir el mundo físico.

Si un fotón de luz tiene propiedades de onda y de partícula a la vez, ¿por qué

una partícula material (una con masa) no puede tener también propiedades de

onda y de partícula a la vez? El físico francés Louis de Broglie planteó esta

pregunta cuando era estudiante graduado en 1924. Su respuesta constituyó su

tesis doctoral en física y después le valió el Premio Nobel de Física. Según de

Broglie, toda partícula de materia tiene una onda que la guía al moverse.

Explica la diferencia entre física clásica y física cuántica.

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

OBJETIVO: identificar la ventaja principal de un microscopio electrónico

respecto a un microscopio óptico.

COMPETENCIAS:


MATERIAL

Videos Desarrollados por Juan Luis Manríquez Zepeda para el Departamento

de Física de la UNAM:

Manríquez, Juan L. (2010) Historia del microscopio electrónico. Disponible en:

https://www.youtube.com/watch?v=WFknSfVRBHE

Manríquez, Juan L. (2010) Funcionamiento de los microscopios electrónico. Disponible

en: https://www.youtube.com/watch?v=fgnkdgHXK_Y

Manríquez, Juan L. (2010) Tipo de microscopios electrónicos. Disponible en:

https://www.youtube.com/watch?v=9-qps2KU7WM)


En un microscopio electrónico se aprovecha la naturaleza ondulatoria de los

electrones. La longitud de onda de los haces de electrones suele ser miles de

veces menor que la de la luz visible, de manera que con el microscopio

electrónico se distinguen detalles que no se observan con los microscopios

ópticos.

Con base en lo anterior, en el siguiente video podrás observar cual fue la

historia de los microscopios electrónicos.

Manríquez, Juan L. (2010) Historia del microscopio

electrónico. Disponible en:



https://www.youtube.com/watch?v=fgnkdgHXK_Y

https://www.youtube.com/watch?v=9-qps2KU7WM


Observa el video y contesta lo siguiente:

1. ¿Qué es un microscopio electrónico? _____________________________________________________________________________________________________________________________ 2. ¿Qué diferencia hay entre un microscopio óptico y el microscopio electrónico? _________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________________________________ 3. ¿Cuál fue la aportación de Louis de De Broglie para la fabricación del microscopio electrónico? _____________________________________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________ 4. ¿Quiénes construyeron el primer microscopio electrónico? _____________________________________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________ 5. ¿En qué áreas de la ciencia se utilizan los microscopios electrónicos? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ SEGUNDA PARTE

En esta parte entenderán cómo funcionan los microscopios electrónicos, que

tipo de electrones se utilizan, como se utilizan los conceptos de la difracción de

la luz, termoiónica, para ello observa con detenimiento el siguiente video.

Manríquez, Juan L. (2010) Funcionamiento de los microscopios electrónico. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=fgnkdgHXK_Y

1. ¿Por qué se utilizan los haces de electrones para iluminar las muestras

en lugar de luz?

______________________________________________________________________________________________________________________________¿Cuál es el diámetro medio de un átomo de hidrógeno? ______________________________________________________________________________________________________________________________

https://www.youtube.com/watch?v=fgnkdgHXK_Y

2. ¿Cuál era el problema para aumentar la resolución de los microscopios ópticos? _____________________________________________________________________________________________________________________________ 3. ¿Cómo se resolvió este problema? _____________________________________________________________________________________________________________________________ TERCERA PARTE

Por último, deberás entender cuáles las principales diferencias y características

de los microscopios electrónicos de transmisión y los microscopios electrónicos

de barrido, para ello toma nota del siguiente video.

Manríquez, Juan L. (2010) Tipo de microscopios

electrónicos. Disponible en:

https://www.youtube.com/watch?v=9-qps2KU7WM)

1. Escribe las partes fundamentales del microscopio electrónico de transmisión. ______________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 2. ¿Qué tipo de lentes utiliza el microscopio electrónico de transmisión ______________________________________________________________________________________________________________________________ 3. ¿Por qué son importantes los patrones de difracción? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 4. ¿Por qué se utilizan los electrones secundarios para producir las imágenes? ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ANALISIS DEL DESARROLLO Escribe las principales diferencias de los microscopios electrónicos de

transmisión y de barrido en el siguiente cuadro

https://www.youtube.com/watch?v=9-qps2KU7WM

Microscopio electrónico de transmisión

Microscopio electrónico de barrido

Aumento

Características de la imagen

Formación de las imágenes

Características de la muestra

CUESTIONARIO 1. Si los electrones sólo se comportaran como partículas, ¿qué patrón crees que se forme en la pantalla después de que los electrones pasen por la doble rendija? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ 2. Si un electrón y un protón tienen la misma longitud de onda de de

Broglie, ¿cuál partícula tiene la mayor rapidez?

_______________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ 3. ¿Por qué es importante para la ciencia, conocer el diámetro medio de un átomo? _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 4. ¿Cuáles fueron las pruebas empíricas de Rosalind Franklin sobre la molécula de ADN? ______________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________ CONCLUSIÓN ______________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________


PRÁCTICA 10




cada unidad.


Auto- evaluación

Coe- evaluación








Total







Total

PRÁCTICA No.11

ATOMO: DEL CLÁSICO AL CUÁNTICO Guía de investigación previa

OBJETIVO

Comprender de qué manera, los físicos, descubrieron el núcleo atómico y cómo

el modelo de Bohr de las órbitas del electrón explicó los espectros de los

átomos de hidrógeno.

COMPETENCIAS


MATERIAL

Videos:

Viendo, viendo, aprendo y aprendo (2015) El Átomo documental completo.

Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=Sy-iM1o0JXE

Ciencias educativas (2016) El átomo documental completo. Disponible en:

https://www.youtube.com/watch?v=kPJ-V5t5d9M

Del átomo al quark:

Tribuna virtual (s/d) Física Del Átomo al Quark Lección 51a y 51 b El Universo

Mecánico. Disponibles en:

http://tu.tv/videos/fisica-del-atomo-al-quark-leccion-51a-el

http://tu.tv/videos/fisica-del-atomo-al-quark-leccion-51b-el

También disponibles en:

¿? (2008) Universo mecánico: del átomo al quark. Disponible en:

http://eluniversomecanico-delatomoalquark.blogspot.mx/

https://www.youtube.com/watch?v=Sy-iM1o0JXE

Simulador Modelos del átomo de Hidrógeno “hydrogen-atom_es” PhET de

la Universidad de Colorado. Disponible en:

https://phet.colorado.edu/es/simulation/hydrogen-atom


INTRODUCCIÓN

De acuerdo a las propiedades de la materia, todos estamos formados por

átomos, los cuales son tan pequeños y numerosos que los inhalamos miles o

millones de millones cada vez que respiramos. Exhalamos algunos de ellos,

pero otros se quedan algún tiempo y forman parte de su cuerpo, aunque los

pueden exhalar después.

Con cada respiración aspiramos algunos de los átomos de nuestros

compañeros y se vuelven parte de ustedes (y, de igual manera, los tuyos se

vuelven parte de mí). Hay más átomos en una respiración de aire que la

cantidad total de seres humanos desde los comienzos del tiempo, por lo que en

cada respiración que inhales, reciclas átomos que alguna vez fueron parte de

cada una de las personas que han existido. ¡Oye, en ese sentido, todos somos

uno!.

CONCEPTOS BÁSICOS

El átomo y su historia: Aristóteles, el más famoso de los filósofos griegos de

la Antigüedad no creía en la idea de los átomos. En el siglo IV A. C. enseñaba

que toda materia estaba formada por distintas combinaciones de cuatro

elementos: tierra, aire, fuego y agua. Tal idea parecía razonable porque en el

mundo que nos rodea sólo se ve la materia en cuatro formas: sólida (tierra),

gaseosa (aire), líquida (agua) y del estado de las llamas (fuego). Los griegos

consideraban al fuego como el elemento del cambio, ya que se observaba que

ocasionaba cambios en las sustancias que ardían. Las ideas de Aristóteles a

cerca de la naturaleza de la materia prevalecieron por más de 2000 años.

A principios del siglo XIX la idea atómica resurgió con un meteorólogo y

profesor, el inglés, John Dalton, quien explicó exitosamente las reacciones

químicas proponiendo que toda la materia está formada por átomos. Sin

embargo, ni él ni sus contemporáneos contaban con pruebas convincentes de

tal existencia. Años más tarde, Robert Brown, botánico escocés, notó algo muy

raro bajo su microscopio, en 1827. Estaba estudiando los granos de polen

suspendidos en agua, y vio que estaban en movimiento continuo y saltando de

un lado a otro. Primero creyó que parecían ser alguna clase de formas

vivientes en movimiento; pero después encontró que las partículas de polvo y

hollín suspendidas en agua se mueven de la misma forma. A este brincoteo

perpetuo de las partículas se le llamó después movimiento browniano, y se

debe a los choques entre las partículas visibles y los átomos invisibles. Los

átomos son invisibles por ser tan pequeños.

Aunque no los pudo ver, podía ver su efecto sobre las partículas. Es como ver

un globo gigante que una multitud de gente mueve en un partido de fútbol.

Desde un avión que vuele alto no verías a las personas, ya que son pequeñas

en comparación con el globo; pero sí verías moverse el globo. Los granos de

polen que observó Brown en movimiento eran impulsados en forma constante

por los átomos (en realidad, por las combinaciones de átomos que llamamos

moléculas) que formaban el agua que rodeaba los granos.

Todo esto lo explicó Albert Einstein en 1905, el mismo año en el que anunció

su teoría de la relatividad especial. Hasta la explicación de Einstein, que hizo

posible calcular las masas de los átomos, muchos físicos prominentes no

creían en la existencia de los átomos.

PRIMERA PARTE

En esta parte recordarás como se fue conceptualizando el modelo atómico,

desde Dalton hasta Schrödinger, observa los siguientes videos:

Viendo, viendo, aprendo y aprendo (2015) El Átomo documental completo.

Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=Sy-iM1o0JXE

Ciencias educativas (2016) El átomo documental completo. Disponible en:

https://www.youtube.com/watch?v=kPJ-V5t5d9M

Responde las siguientes preguntas:

https://www.youtube.com/watch?v=Sy-iM1o0JXE

1- ¿Cuáles tienen más edad, los átomos del organismo de un adulto mayor o

los de un bebé?, ¿por qué?

_______________________________________________________________

_____________________________________________________________

2- La población mundial se incrementa cada año. ¿Significa eso que la masa

de la Tierra crece cada año?, ¿por qué?

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

3- ¿Realmente hay átomos que alguna vez fueron parte de Albert Einstein

dentro del cerebro de toda tu familia?, ¿por qué?

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

SEGUNDA PARTE

Consulta, con la guía de tu maestro, información acerca de: El modelo atómico

de Bohr, De Broglie y Schrödinger, los cuatro postulados de Bohr y las series

de: Lyman, Balmer, Paschen, Bracket y Pfund.

Observa y comenta los siguientes videos:

Del átomo al quark:

Tribuna virtual (s/d) Física Del Átomo al Quark Lección 51a y 51 b El Universo

Mecánico. Disponibles en:

http://tu.tv/videos/fisica-del-atomo-al-quark-leccion-51a-el

http://tu.tv/videos/fisica-del-atomo-al-quark-leccion-51b-el

También disponibles en:

¿? (2008) Universo mecánico: del átomo al quark. Disponible en:

http://eluniversomecanico-delatomoalquark.blogspot.mx/

Responde las siguientes preguntas:

¿Cuál fue la principal aportación de la mecánica cuántica propuesta por

Schrödinger?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

¿Qué son los números cuánticos?

______________________________________________________________

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

_______________________________________________________________

¿Qué se entiende por hache con barra “Ћ”?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

Investiga lo que es el principio de incertidumbre o principio de indeterminación

de Heisenberg, anótalo a continuación:

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

TERCERA PARTE

En esta parte observaras las diferentes representaciones del átomo de

Hidrógeno utilizando el simulador “Modelos del átomo de Hidrógeno” de la

Universidad de Colorado. En esta simulación puedes visualizar: los modelos

atómicos de Bohr, De Broglie y Schrödinger, el comportamiento del átomo de

hidrógeno y el diagrama de niveles de energía cuando el átomo de hidrógeno

es excitado.

1. Entrar a la página: https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/hydrogen-

atom para acceder al simulador “Modelos del átomo de Hidrógeno”.

2. Encienda el arma

3. Haga click en el botón de Experimento, observa que sucede con las

partículas cuando llegan a una bola de billar. Comenta lo observado:

_______________________________________________________________

_____________________________________________________________

4. Cambia al modelo budín de ciruelas y observa lo que sucede con las

partículas que se están lanzado, comenta lo observado:

_______________________________________________________________

_____________________________________________________________

Comenta lo que sucede con el electrón si fuera un sistema solar: (Se

recomienda que actives el botón de mostrar diagramas de niveles de

energía del electrón)

https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/hydrogen-atom

https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/hydrogen-atom

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

Este primer modelo fue propuesto por ______________________________

Comenta lo que observas con el electrón cuando utilizas el modelo de

Bohr:

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

Ahora utiliza el modelo de De Broglie y comenta el movimiento que realiza el

electrón:

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

Por último utiliza el modelo de Schrödinger y comenta lo que

observas:

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

¿Qué sucede con los niveles de energía en los dos modelos anteriores y como

los denominan?

_______________________________________________________________

______________________________________________________________


1. Define átomo

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

2. ¿Cuáles son las partículas subatómicas?

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

3. Define quark

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

CUESTIONARIO

1. ¿De qué manera, los físicos, descubrieron el núcleo atómico?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

2. ¿Cómo, el modelo de Bohr de las órbitas del electrón, explicó los espectros

de los átomos de hidrógeno?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

CONCLUSIONES

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

______________________________________________________________


Desarrollo experimental basado en: Abdel P. (2016) Hidrogeno. Disponible en

https://phet.colorado.edu/services/download-

servlet?filename=%2Factivities%2F4380%2Fphet-contribution-4380-7831.pdf

Documental recomendado:

Documentales HD (2016) El Universo: Universo microscópico. Disponible

en: https://www.youtube.com/watch?v=Emzl8XPU2W0

https://www.youtube.com/watch?v=Emzl8XPU2W0

PRÁCTICA 12

FENÓMENOS CUÁNTICOS Guía de investigación previa ¿Qué entiendes por física

cuántica?______________________________________________________

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

¿Qué investigaciones se realizan en la Organización Europea para la

Investigación Nuclear (CERN)?

_______________________________________________________________j

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

¿Cuáles son las aplicaciones de la física

cuántica?________________________________________________________

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

OBJETIVO

Realizar diversos experimentos que demuestren los fenómenos cuánticos

mediante el uso de rayos laser y revisión de material audiovisual.

COMPETENCIAS


MATERIAL

Apuntador laser

Marcatextos

Cristalizador

Computadora y cañón

Video:

Sanfigueroa I. (2014) Más allá del Cosmos - Un Salto Cuántico. Disponible en:

https://www.youtube.com/watch?v=8bzERtfbvvE y en:

https://www.youtube.com/watch?v=RLzdACyAcXg


Antecedentes:

No podemos observarlos directamente, pero el comportamiento de átomos,

quarks, fotones y todo aquello que compone la realidad a una escala

nanométrica o menor confirma que aún no sabemos gran cosa del universo. La

teoría cuántica –que describe estas diminutas partículas– dejó de ser una

rareza antes confinada al laboratorio; ahora invade nuestras vidas y se

encuentra en el teléfono inteligente que llevamos en nuestro bolsillo, y hasta en

el número de la tarjeta de crédito que usamos para comprar por internet.

En 2011, el físico austríaco Anton Zeilinger aplicó un cuestionario con 16

preguntas de opción múltiple a más de 30 especialistas en teoría cuántica,

acerca de sus conceptos básicos y su interpretación. Ninguna de las posibles

respuestas recibió apoyo unánime, pues muchas de las preguntas provocaron

un amplio rango de opiniones. Según el investigador Charles Clark, codirector

del Joint Quantum Institute en la Universidad de Maryland, sería “un gran tema

ubicar dónde está el problema” que hace que la teoría cuántica sea tan difícil

de interpretar. En parte, esto se debe a que es muy abstracta. Cuando

pateamos un balón, obtenemos conocimiento empírico de cómo funciona el

mundo a una escala humana. Pero no podemos patear un quark o aventar un

fotón; sólo podemos describir estas partículas con ayuda de la teoría cuántica.

Cuando Max Planck inventó la teoría cuántica en 1900, pensó que solo era un

truco matemático. Pero su “truco” explicaba por qué los físicos de la época no

podían responder a esta pregunta: “¿Cuál es la naturaleza de la luz emitida

por una llama o cualquier otro cuerpo caliente?” Sabían que la luz era una onda

electromagnética generada por partículas cargadas eléctricamente, como los

https://www.youtube.com/watch?v=8bzERtfbvvE

electrones, pero el problema era que los cálculos que usaban para aplicar esta

teoría contradecían los resultados del laboratorio del espectro de luz generado

por objetos calientes.

Planck probó varias soluciones para resolver el problema antes de dar con la

idea de que la luz es emitida por medio de energías “cuánticas”, múltiplos

exactos de cierta cantidad mínima, o “cuanto”. A esto lo llamó “un acto de

desesperación”, pero produjo el espectro correcto de luz de un cuerpo caliente

y eso le valió el Premio Nobel en 1918. Después, Albert Einstein y Niels Bohr

obtuvieron sus propios premios Nobel al extender el trabajo de Planck. Einstein

mostró que la luz viene en discretos paquetes de energía, luego llamados

fotones, y Bohr planteó que los electrones en un átomo absorben o emiten

fotones al tiempo que brincan entre niveles de energía cuántica.

Fue asombroso encontrar que el mundo operaba de esta extraña manera.

Ahora se sabe que los saltos cuánticos y todo lo demás son reales. Pero, ¿por

qué la humanidad no notó los “cuantos” hasta 1900? Porque hablamos de una

cantidad de energía muy pequeña. Incluso el febril brillo de una vela representa

un torrente de fotones (trillones por segundo). La luz que irradia una fuente es

como arena derramándose de un cubo; parece ser una corriente continua, pero

en realidad es una multitud de diminutos granos perdidos dentro del flujo

mayor.

Un anuncio de neón es un tubo de cristal relleno con el gas noble neón o con

otro gas que brilla cuando se le aplica un voltaje. La “descarga luminosa”, vista

por primera vez a finales del siglo XIX, funciona porque el voltaje eleva a los

electrones de los átomos del gas a un nivel más alto de energía; después, los

electrones descienden a niveles más bajos y sueltan fotones. Los gases

poseen diferentes niveles de energía atómica, y estos niveles definen las

longitudes de onda del fotón. El neón produce luz roja, el argón genera luz

azul… y así.

La descarga luminosa está también en la iluminación fluorescente y en el láser.

En un tubo fluorescente, los saltos cuánticos en el vapor de mercurio crean

fotones ultravioleta, que activan un revestimiento dentro del tubo, el cual

produce luz blanca. El láser, inventado en 1960, es como un tubo de descarga

entre dos espejos. Al tiempo que los fotones de un salto cuántico atómico

rebotan de un lado a otro, estimulan más fotones de los átomos que lo

atraviesan. Eso produce un rayo mejorado de luz pura en una sola longitud de

onda. Un rayo cuya infinita gama de usos hace evidente que la energía

cuántica es real.

El CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) que en español es

llamado Consejo Europeo para la Investigación Nuclear, es uno de los centros

más grandes y mejor considerados del mundo para la investigación de la física

cuántica. Su objetivo es la física fundamental, la búsqueda del origen y

constituyentes últimos de la materia. En el CERN, el mayor acelerador de

partículas del mundo y los instrumentos científicos más complejos se utilizan

para estudiar los componentes básicos de la materia - las partículas

elementales. Escudriñando los productos resultantes de las colisiones de las

partículas aceleradas a velocidades próximas a la velocidad de la luz los físicos

aprenden sobre las leyes de la Naturaleza. Los instrumentos básicos utilizados

en el CERN son los colisionadores de partículas y los detectores. Los

colisionadores aceleran haces de partículas a energías próximas a la velocidad

de la luz y se hacen colisionar entre sí o con blancos fijos. Los detectores

observan y registran los resultados de estas colisiones. El éxito del CERN no

es sólo su capacidad para producir resultados científicos de gran interés, sino

también el desarrollo de nuevas tecnologías tanto informáticas como

industriales. Entre los primeros destaca en 1990 la invención del World Wide

Web.

Aplicaciones de la Física Cuántica

¿Tiene el mundo cuántico aplicaciones para nuestro ámbito cotidiano? ¿Cómo

algo tan diminuto puede sernos de ayuda? Repasemos la tecnología de

almacenaje y procesamiento de la informática actual. Nos percataremos de que

más o menos cada dos años, la velocidad y la capacidad de almacenamiento

de los equipos informáticos se duplican, todo acompañado de una

miniaturización de los microprocesadores y soportes de almacenaje. Si esta

progresión continúa en el futuro, la física cuántica tendrá aún más peso en

nuestra sociedad.

Pero desde luego la informática sólo sería una parte más del potencial de la

física cuántica. Actualmente disponemos ya de numerosos aparatos que

aprovechan conocimientos cuánticos: las placas solares, que utilizan un

fenómeno cuántico denominado efecto fotoeléctrico, los microscopios de

tunelamiento que aplican el efecto tunneling para formar imágenes en 3

dimensiones de los átomos (los cuales son fundamentales en el campo de la

nanotecnología y la nanociencia), la resonancia magnética que permite

aprovechar ciertas propiedades de los átomos de hidrógeno en presencia de

campos magnéticos para obtener imágenes del interior humano con fines

diagnósticos, la tecnología de superconductores capaces de alcanzar

resistencias eléctricas extremadamente bajas (usada en trenes MAGLEV y en

general para la producción de campos magnéticos de alta intensidad), etc…

¿Qué nos depara para el futuro? El futuro de la física cuántica estará ligado a

la computación cuántica (ordenadores capaces de realizar cálculos

exponencialmente más rápidos y con dispositivos de alta densidad de

almacenaje), la criptografía y el cifrado de códigos secretos, la nanotecnología

y la mayoría de ámbitos donde se requiera la manipulación y control de átomos

y moléculas para múltiples aplicaciones, la producción de cantidades ingentes

de energía a partir de la antimateria y del vacío cuántico, además de todos los

avances asociados para la creación de los mismos.

Pero ¿qué hay para el ser humano? Desde luego nuestro organismo utiliza

mecanismos cuánticos, como la emisión biofotónica coherente y las

transmisiones de información neuronales (utiliza parámetros cuánticos).

Recientes investigaciones parecen apuntar a una transmisión instantánea de

información (acorde al principio de no-localidad) entre las células mediante sus

campos biofotónicos. Además el planteamiento de que como observadores

podemos colapsar la función de onda y crear nuestra “realidad”, que somos

energéticos y saber que no existe una realidad independiente de nosotros

„formamos parte misma de la realidad cuántica‟ tiene serias implicaciones para

entender el espacio que nos rodea de una forma más interactiva.

Es probable que en un futuro no muy lejano, tengamos un amplio conocimiento

del mundo cuántico que no sólo nos facilite nuestra vida más cotidiana sino que

nos aporten riqueza a nuestra personalidad. En última instancia los avances

tecnológicos no lo son todo pero pueden ser importantes catalizadores (como

en caso de Internet), a nadie se le escapa que al ritmo que avanza la ciencia lo

que ahora es ciencia ficción se pueda convertir de uso corriente dentro de unos

pocos años.

Desarrollo experimental

Primera parte:

1. El profesor proyectará el documental titulado “Más allá del cosmos – un

salto cuántico” que se encuentra en el siguiente vinculo:


Al terminar de ver el documental, anota en las siguientes líneas lo que a tu

criterio te pareció más relevante para la actualidad y el futuro:

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

De acuerdo al documental, ¿Qué es la computación cuántica?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

______________________________________________________________


Segunda parte:

Realiza un experimento para visualizar un rayo láser en agua y compararlo con

solución de agua y fluoresceína de la siguiente forma:

1.1. Llena de agua destilada un cristalizador.

1.2. Pasa un rayo láser a través del agua del cristalizador. Anota observaciones:

1.3. Ahora llena el cristalizador con solución de agua destilada y fluoresceína. La

fluoresceína la puedes obtener de un marca textos, exprimiendo el

contenido de la esponja del mismo.

1.4. Pasa un rayo láser a través de la solución obtenida en el cristalizador. Anota

observaciones:

1.5. ¿Cuáles son las diferencias entre pasar rayo láser únicamente en agua

destilada y pasar el mismo en solución de agua destilada con fluoresceína?

Valora tu aprendizaje

1. Explica por qué es tan difícil de explicar la teoría cuántica.

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

____________________________________________________________

2. ¿Quiénes fueron los personajes que iniciaron con la teoría cuántica?

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

____________________________________________________________

3. ¿Qué son los fotones?

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

____________________________________________________________

4. Menciona tres aplicaciones de la física cuántica.

_______________________________________________________________

_________________________________________________________

5. ¿Cuál es el futuro de la física cuántica?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

6. ¿Cuál es el futuro para el ser humano con la física cuántica?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

Cuestionario

¿Cuál es la diferencia entre la física clásica y la cuántica?

_______________________________________________________________

CONCLUSIONES

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

Documental recomendado:

MrQcharm (2012) La Mecánica Cuántica y sus aplicaciones: el ordenador

cuántico. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=O9TA2faf6nw


Fecha _______________________ Reviso ______________________

PRÁCTICA 13

RELATIVIDAD Guía de investigación previa

1. Dos personas dialogan en una escalera y se preguntan ¿Es bajada o

subida?

2. Cuándo te desplazas de un lugar a otro ¿Cómo sabes que tú te mueves y no

los objetos?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

2. ¿Qué concepto tienes sobre el término Relativo?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

OBJETIVO: analizar el concepto de marco de referencia así como el concepto

de relatividad.

COMPETENCIAS


EXPLICA

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MATERIAL

1 Regla acanalada

2 Triangulo de aluminio

2 Canicas

2 Pedazos de tubo de PVC (30 Cm)

1 Cinta adhesiva

1 Carrito metálico con ruedas



EL gran físico Albert Einstein (1879–1955) demostró que cualquier cosa en el

Universo está sujeta a las mismas leyes físicas, independientemente de cómo

se esté moviendo. También demostró que es imposible conocer la velocidad

absoluta de los cuerpos. Todo lleva una velocidad relativa a un punto de

referencia en particular, pero éste se encuentra en movimiento relativo a otras

cosas del Universo.


1. Arma los componentes como aparece en la figura

2. Haz rodar la canica por el tubo y observa la velocidad que adquiere ¿Qué se

observa?________________________________________________________

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

3. Nuevamente coloca la canica en el tubo y suéltala pero esta vez imprime un

impulso a la regla al momento de que la canica rueda por el canal.

¿Qué se observa?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_____________________________________________________________

4. Repite el experimento pero ahora cuando la canica ruede por el canal

muévelo en dirección contraria. ¿Qué se observa?

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_____________________________________________________________

5. Arma la regla acanalada como se observa en la figura.Suelta al mismo

tiempo las canicas por los tubos y marca el lugar donde chocan.

¿En dónde chocan las canicas y por qué?

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_______________________________________________________________

_____________________________________________________________

6. Mueve la regla en la dirección que se observa cuando las canicas rueden por

el canal en forma sincronizada

NOTA: Antes de lanzar las canicas predice donde chocaran

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______________________________________________________________

¿Qué sucede y por qué?

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_______________________________________________________________

______________________________________________________________

7. Mueve la regla en dirección contraria y luego en la otra, sincronizando las

canicas como en el paso anterior y coloca a varios de tus compañeros como se

indica en la figura y anota lo que observa cada uno de ellos.

Escribe lo que vieron tus compañeros

POSICION 1

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POSICION 2

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POSICION 3

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1. Cuándo dejas correr la canica y empujas la regla acanalada ¿qué se mueve

la canica, la regla o tú? Explica

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2. En el paso No.7 ¿Quién está en lo correcto y por qué?

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3. Si viajas en un automóvil y dejas caer una pelota al exterior ¿Qué trayectoria

de caída se observa?, ¿La observación que tienes será igual a la que tenga un

observador situado en posición fija en el exterior? Explica

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CUESTIONARIO

1. ¿Qué es un Marco de Referencia?

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______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_____________________________________________________________

2. Explica ¿por qué es útil estudiar el movimiento de los cuerpos utilizando

marco de referencia absoluto?

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3. Investiga el trabajo de Albert Einstein y menciona porque sus teorías sobre

relatividad al inicio fueron poco aceptadas.

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4. En la actualidad ¿en qué ha contribuido el trabajo de Einstein sobre la

relatividad?

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5. ¿Se te dificulta comprender la teoría sobre la relatividad?, ¿A qué crees que

se debe?

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CONCLUSIONES

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_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

Documental recomendado: Documentalia ciencia (2016). En la mente de

Einstein. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=MgQ8B7j1C58

https://www.youtube.com/watch?v=MgQ8B7j1C58

Ejercicio recomendado: CosmoEduca (s/d) Simulando la deformación del

espacio-tiempo con una tela elástica y una masa. Disponible en:

http://www.iac.es/cosmoeduca/gravedad/experimentos/exper4.htm


Fecha _______________________ Reviso ______________________

http://www.iac.es/cosmoeduca/gravedad/experimentos/exper4.htm

PRÁCTICA NO. 14

LA BÓVEDA CELESTE Guía de investigación previa

¿Qué es la bóveda celeste?

_______________________________________________________________

_____________________________________________________________

¿Qué es una constelación?

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______________________________________________________________

¿Qué es un sistema de Coordenadas?

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

¿Qué son los Puntos cardinales?

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

¿Cómo se definen las estaciones del año?

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______________________________________________________________

OBJETIVO Comprender como se describen y estudian los cuerpos celestes

que componen nuestro universo y su relación con las creencias humanas.



MATERIAL

Documento Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (2013) Elementos de

astronomía observacional: la esfera celeste. Disponible en:

http://astro.inaoep.mx/olimpiada_astronomia/pluginfile.php/2/course/section/2/Li

broEsferaCeleste.pdf

Aplicaciones de realidad aumentada para celular:

SkyView en la pc: https://skyview.uptodown.com/android o desde Play store.

Mapa estelar en la pc:

https://play.google.com/store/apps/details?id=com.escapistgames.starchart&hl=

es o desde Play store.


Base teórica

Descarga el documento: Elementos de astronomía observacional: la esfera

celeste y analiza junto con tu profesor el contenido del mismo. Identifica el tipo

de problemas de los que se encarga la astrofísica, enuméralos a continuación:

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

______________________________________________________________

Identifica junto con tu profesor algún problema de interés general mencionado

en el documento y ensaya una solución, anota tu trabajo a continuación:

http://astro.inaoep.mx/olimpiada_astronomia/pluginfile.php/2/course/section/2/LibroEsferaCeleste.pdf

http://astro.inaoep.mx/olimpiada_astronomia/pluginfile.php/2/course/section/2/LibroEsferaCeleste.pdf

https://skyview.uptodown.com/android

https://play.google.com/store/apps/details?id=com.escapistgames.starchart&hl=es

https://play.google.com/store/apps/details?id=com.escapistgames.starchart&hl=es

Descarga en tu celular alguna de las siguientes aplicaciones móviles, recuerda

que requieres WiFi o datos móviles:

SkyView

Mapa estelar

Identifica con ayuda de las aplicaciones un planeta y una constelación, anota a

continuación los datos de localización que la aplicación provee y, con ayuda de

tu profesor, explica el significado de los mismos:

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_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

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¿De qué manera los objetos celestes influyen en los seres humanos?

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CUESTIONARIO

¿Qué es la astrofísica?

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_______________________________________________________________

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CONCLUSIONES PERSONALES

_______________________________________________________________

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_____________________________________________________________

Documentales recomendados:

Montoya J. (2013) Cosmos: capítulo 1. En la orilla del océano cósmico.

Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=RTPOgZPyWAs


https://www.youtube.com/watch?v=RTPOgZPyWAs

PRÁCTICA 15




cada unidad.


Auto- evaluación

Coe- evaluación








Total







Total

ANEXO 1 Actividades integradoras recomendadas:

Visita al planetario de Colima:

Teléfono: 3141533, reservar con: Laura Carbajal

http://museoxoloitzcuintle.col.gob.mx/tema.php?it=MTI5MA

Planetario: Grupos completos:

De martes a viernes de 10 de la mañana a 1 de la tarde y de 4 a 5:30 de la

tarde

Sábado y domingo de 2 a 8 de la tarde, cada 45 minutos

Tienen un observatorio, pero solo atiende a 10 personas por vez, esta de

martes a viernes en dos horarios: 9 o 10 de la noche, máximo podría atender a

20 personas, pero con reservación.

Debido a que una demostración de los principios de la física relativista son

difíciles de llevar a cabo en un laboratorio de educación media superior, se

propone para su entendimiento la proyección de dos películas cuyo contenido

se basan en los principios que rigen la física moderna y cuya unión podría

llevarnos a explicar el funcionamiento del universo con una teoría unificadora,

las dos películas propuestas son Interestelar y La teoría del Todo.

La primera de ellas trata sobre un viaje interestelar, en donde el alumno será

capaz de analizar las posibilidades que existen de un viaje de este tipo basado

en la teoría física moderna, la existencia de agujeros de gusano o puentes

Einstein-Rossen y los enigmáticos agujeros negros. De igual manera podrá

observar los principios descritos por la física relativista.

La segunda película trata sobre uno de los grandes genios de la física teórica,

Stephen Hawking, quien ha desarrollado estudios sobre los agujeros negros y

buscado durante su vida como científico la unificación de la teoría cuántica y

relativista para poder describir el comportamiento del universo. En esta película

el alumno podrá analizar como el autor propone unificar las contribuciones de

grandes físicos como Schrödinger, Dirac, Einstein, entre otros.

Otra actividad propuesta para el tema de astrofísica es la observación de la

bóveda celeste, esta actividad puede llevarse a cabo con un campamento de

observación astronómica, proponiéndose la laguna del naranjal por ser un lugar

libre de obstáculos naturales y nos permiten una visión de la bóveda estelar de

casi 180°.

http://museoxoloitzcuintle.col.gob.mx/tema.php?it=MTI5MA

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