fisica iii

Academia Pre Universitaria Alexander Fleming 3º Boletín Anual Ciencias 2006

IntroducciónCon este capítulo iniciaremos el estudio de la electricidad, es decir, analizaremos y trataremos de entender los diversos fenómenos, ligados a nuestra vida diaria, denominados fenómenos eléctricos.

El estudio de los fenómenos eléctricos relacionados con cargas eléctricas en reposo suele recibir el nombre de Electrostática.

ELECTRIZACIÓNLa palabra electricidad se deriva del vocablo griego electrón que significa ambar (resina petrificada). Los griegos, desde la antigüedad, ya conocían los efectos de la electricidad estática. El filósofo y matemático Thales, que vivió en la ciudad de Mileto en el siglo V a C, observó que un trozo de ambar, al ser frotado con una piel de animal, adquiría la propiedad de atraer cuerpos ligeros como Trozos de paja y semillas pequeñas.En la actualidad se sabe que todas las sustancias pueden presentar un comportamiento similar al del ambar.Cualquier sustancia se puede electrizar (cargar) al ser frotado con otra.

CARGA POSITIVA Y CARGA NEGATIVASegún los experimentos con varios cuerpos electrizados, se halla que pueden separarse en dos grupos:

PRIMER GRUPOAquellos cuyo comportamiento es igual al de una barra de vidrio que se frota con una tela de seda. Tales cuerpos frotados se repelen mutuamente y decimos que están electrizados positivamente.

Una barra de vidrio se carga positivamente cuando es frotada con una tela de seda.

SEGUNDO GRUPOAquellos que se comportan como una barra de plástico (o resina) frotado con una tela de lana. Los cuerpos de este grupo se repelen entre sí, pero, atraen a los del primer grupo. Decimos pues, que están electrizados negativamente.

Una barra de plástico se carga negativamente cuando se frota con una tela de lana.

ORIGEN DE LA CARGA ELÉCTRICASegún la teoría actual de los átomos, se sabe que la electrización de los cuerpos se debe a lo siguiente:

1. En un cuerpo neutro (no electrizado) el número de protones es igual a los números de electrones.

2. Cuando frotamos dos cuerpos entre sí hay una transferencia de electrones de un cuerpo hacia el otro.

3. El que pierde electrones presenta un defecto de electrones, es decir, queda cargado positivamente.

4. El que gana electrones presenta un exceso de electrones, es decir, queda cargado negativamente.

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FUERZA ELÉCTRICA

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Academia Pre Universitaria Alexander Fleming 3º Boletín Anual Ciencias 2006Un cuerpo tiene carga positiva si en él hay un defecto de electrones, y carga negativa si tiene un exceso de electrones.

PROPIEDADES DE LA CARGA ELÉCTRICA1. La carga está cuantizada

La carga que se presenta en un cuerpo, se debe al número (entero) de electrones que este cuerpo gana o pierde y sabiendo que la carga del electrón es diremos que cualquier carga será un número (n) entero de veces la carga del electrón:

Decir que la carga está cuantizada significa que puede aparecer solamente como múltiplo (entero) de la carga del electrón.

2. La carga se conservaEn un sistema aislado, la carga total debe permanecer constante. Este principio se observa cuando dos cuerpos, son frotados entre sí; los electrones no son creados, sino transmitidos de un cuerpo hacia el otro.Cuando una barra de vidrio es frotado con una tela de seda, el vidrio se carga positivamente, mientras que la tela negativamente.

La carga no se crea ni se destruye, solo se transmite de un cuerpo hacia otro.

3. La carga es invarianteDecir que la carga eléctrica es invariante indica que; la carga de un

electrón, de un protón o de cualquier otra partícula permanece igual, sin importar la velocidad del movimiento.En el átomo los electrones se mueven a grandes velocidades, a pesar de esto, su carga permanece igual.

Conductores y Aisladores:Algunos materiales, como el cobre, el aluminio y otros metales conducen muy bien la electricidad, estos son llamados conductores. Otros materiales que incluyen en el vidrio, el hule y la mayoría de los plásticos se emplean como aisladores eléctricos.En los cuerpos conductores los electrones de valencia (libres) pueden soltarse con facilidad de sus átomos y viajan a través del conductor.Es los cuerpos aisladores todos los electrones (hasta los de valencia) están firmemente ligados a sus núcleos y no pueden conducir la electricidad.Los cuerpos conductores disponen de electrones de valencia que pueden liberarse fácilmente de la atracción de sus núcleos.

PROPIEDADES DE LOS CONDUCTORES:1. La carga estática en un cuerpo

conductor se distribuye solamente en la superficie exterior. Es extraño que en el interior de un conductor no haya cargas eléctricas; pero, esto es posible, porque como las cargas son del mismo signo, se repelen hacia el exterior.

2. La carga eléctrica se distribuye en la superficie exterior; pero se puede comprobar que en las partes convexas

(puntas) hay más cargas que en las partes planas.

3. Si el cuerpo conductor cargado tiene una punta, la densidad de carga en la punta puede ser tan grande que las cargas pueden saltar al aire. El aire cargado al ser repelido por la misma punta producirá el llamado “viento eléctrico” capaz de apagar una vela.

INDUCCIÓN ELECTROSTÁTICAConsideremos un cuerpo conductor en estado neutro (no electrizado). Si acercamos una barra cargada positivamente, sin tocar el cuerpo conductor, veremos que los electrones libres del conductor serán atraídos por la carga positiva de la barra y se acumularán en el extremo A. Debido al desplazamiento de los electrones libres hacia el extremo A, el extremo B queda un exceso de carga positiva. Esta separación de cargas en el conductor, producida por el acercamiento de la barra electrizada, se denomina inducción electrostática.

La inducción de cargas, en los extremos A y B, se debe a que los electrones libres del conductor son atraídos por la barra electrizada hacia el extremo A.

LEYES ELECTROSTÁTICAS:LEY DE CARGASLas cargas del mismo signo se repelen (figura A), y las cargas signos diferentes se atraen (figura B).

LEY DE COULOMBLa fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las dos cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Matemáticamente:

En está fórmula no se debe remplazar el signo de las cargas.

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Academia Pre Universitaria Alexander Fleming 3º Boletín Anual Ciencias 2006Unidades en el SI:

Una desventaja SI es que el coulomb (C) es una unidad muy grande, generalmente usaremos el microcoulomb

r: distancia entre las cargas, en metros (m)F: fuerza eléctrica, en newtons (N)

P R Á C T I C A

1. Se coloca un objeto a 18cm de una pantalla. ¿A qué distancia del objeto debe colocarse una lente de distancia focal + 4cm para obtener su imagen en la pantalla? ¿Cuál es la altura de la imagen, si la del objeto es de 24cm?a. 6cm; 12cm b. 4cm; 8cmc. 5cm; 10cm d. 9cm; 18cme. 24cm; 12cm

2. Un objeto se coloca frente a una lente de tal manera que el aumento producido es – 3. Si la distancia desde el foco al centro óptico de la lente es 15cm, calcule la distancia imagen.a. 30cm b. 40cm c. 50cmd. 60cm e. 70cm

3. Un lente biconvexa tiene superficies con radio de curvatura de 20 y 15cm. Cuando un objeto se coloca a 30cm de la lente, una imagen real se forma a 40cm de la misma. Calcule el índice de refracción de la lente.a. 1,1 b. 1,3 c. 1,7d. 1,5 e. 1,4

4. Con una lente convergente se obtiene una imagen cuyo tamaño es cuatro

veces la del objeto. Si dicho objeto lo alojamos 5cm, el aumento disminuye la mitad respecto del caso anterior, determine la distancia focal de la lente. (considere imagen real)a. 10cm b. 15cm c. 20cmd. 25cm e. 30cm

5. Se fabrica una lente cuyo índice de refracción es de 1.5. Un lado de la lente es plano y el otro lado es convexo con un radio de curvatura de 25cm. Determine la distancia focal de la lente.a. 10cm b. 20cm c. 30cmd. 40cm e. 50cm

6. Se tiene una lente fabricado de vidrio crown (n = 1,5) cóncavo – convexo, el radio de la superficie convexa es 0,2m y de la superficie cóncava 0,4m. Determine la distancia focal cuando la lente está rodeada de aire.a. 0,4m b. 0,6m c. 0,75cmd. 0,8cm e. 0,9cm

7. A qué distancia de una lente convergente de 10cm de distancia focal debe colocarse un objeto para que en la lente se presente una imagen de doble tamaño. (considere imagen real).a. 10cm b. 15cm c. 20cmd. 25cm e. 30cm

8. Una lente delgada de vidrio con un índice de refracción de 1,5 tiene una distancia focal de 16cm en aire. ¿Cuál es la distancia focal de la misma lente cuando se coloca en el interior de un líquido cuyo índice de refracción es 1,3?a. 50cm b. 15cm c. 56cmd. 25cm e. 30cm

9. Un objeto está situado a 90cm a la izquierda de una lente divergente de distancia focal –30cm. A continuación de dicha lente se dispone una lente

convergente de 5 dioptrías. ¿Cuál debe ser la distancia entre las dos lentes para que la última imagen sea real y esté situada a 30cm a la derecha de la lente convergente?a. 3,75 b. 7,35 c. 37,5d. 33,5 e. 42,7

10. Una lente convexa se fabrica con vidrio cuyo índice de refracción es 1,5. Una superficie debe tener el doble del radio de curvatura de la otra distancia lo que debe ser de 60cm. ¿Cuáles son los radios?a. 45cm; 90cm b. 30cm; 60cmc. 1,5m;0,75m d. 20cm; 40cme. 0,5m; 1m

11. Un objeto se coloca en el centro de la curvatura de una de las caras de una lente biconvexa, cuyos radios de curvatura son iguales. Determine la localización de la imagen en términos de radio de curvatura r y del índice de refracción n de vidrio, el lente se encuentra en el aire.

a. b. c.

d. e.

12. Una lente biconvexa delgada tiene dos superficies con el mismo radio de curvatura r = 27cm; el material del cual está hecho tiene un índice de refracción de n = 1,5 y está en un recipiente que contiene un líquido para el cual n = 18,5 ¿La lente será convergente o divergente en dicho líquido? ¿Cuál es su distancia focal?a. convergente; 27cm

b. convergente; 81cmc. divergente – 27cmd. divergente; - 8cme. divergente; - 54cm

13. Cuando un objeto se coloca a 10cm frente a una lupa, su imagen se ve de triple tamaño. ¿A qué distancia de la lupa debemos colocar el objeto para que su imagen se vea con un tamaño 5 veces que el objeto?a. 4cm b. 8cm c. 10cmd. 12cm e. 16cm

14. Se tiene una lente tipo menisco en donde el radio de la superficie cóncava es 12cm. Si el índice de refracción de la lente es 1,8 determine su distancia focal.a. -2,5cm b. 75cm c. 25cmd. 50cm e. -75cm

15. Las dos superficies convexas de una lente tienen radios de 0, 80m y 1,20m. El índice de refracción de la lente es 1,5. Determine a que distancia se encuentra la imagen de un objeto ubicado a 2m de la lente.a. – 1,81cm b. 2,4cm c. 0,9cmd. 0,75cm e. 1,8cm

16. Un objeto y su imagen derecha se encuentran situados simétricamente con respecto del foco de la lente. La distancia desde el objeto hasta el foco de la lente es 4cm. Determine la distancia focal de la lente.a. 4,5cm b. 20cm c. 9,65cmd. 18cm e. 1,5cm

17. Una lente con una distancia focal de +12cm genera sobre una pantalla la imagen de un objeto con su aumento de 9. Otra lente, con la misma distancia entre el objeto y la pantalla, produce una imagen con un aumento de 3.

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Determine la distancia focal de la segunda lente.a. 20cm b. 25cm c. 30cmd. 15cm e. 10cm

18. Una lente de +4 dioptrías se sustituye por otra de la misma clase pero de +0,5 dioptrías. ¿Cuántas veces más lejos de la segunda lente que de la primera ha de estar un objeto para que la imagen real sea de doble tamaño que este?a. 2 veces b. 4 veces c. 16 vecesd. 1 vez e. 8 veces

19. Una persona tiene una cámara fotográfica de distancia focal igual a 5cm, la cual está lista para tomar la foto de un cometa. ¿Qué distancia se debe desplazar la lente hacia delante para poder obtener la imagen de un objeto que se encuentra a 20cm de distancia?a. 2cm b. 1cm c. 5cmd. 0,5cm e. 1,6cm

20. Un objeto de 10cm de altura se encuentra a 40cm de una lente cuya potencia óptica es de -2,5 dioptrías. ¿Qué altura presenta su imagen?a. 1,5cm b. 4cm c. 15cmd. 2cm e. 5cm

21. Una persona miope lee con claridad a la distancia de 8cm. Para corregir su anomalía visual usa lentes de tipo menisco divergente de -25/3 dioptrías.¿Cuál es su distancia de lectura cuando esa gafas?a. 12cm b. 16cm c. 20cmd. 24cm e. 30cm

22. Una lente delgada plana conexa tiene un radio de curvatura de 18cm. Forma una imagen real de un objeto axial situado a 72cm de ella, en su punto situado a 32cm del otro lado de la misma. ¿Cuál es el índice de refracción de la lente?

a. 2 b. 1,8 c. 1,5d. 1,25e. 1,35

23. Un objeto se coloca a 45cm delante de una lente divergente de distancia focal igual a -30cm. A cierta distancia y en la zona real de la primera lente convergente de 60cm de distancia focal, logrando que todos los rayos se refracten paralelamente. Determine la distancia focal del sistema de lentes.a. 7cm b. 150cm c. 48/5cmd. 16/3cm e. 16cm

24. Una burbuja de aire se encuentra en el interior de un recipiente con agua. Al incidir rayos luminosos sobre la burbuja como qué tipo de lente se comportaría.

a. Convergente b. Divergentec. Depende el radio (R)d. No se comporta como lentee. Todas son falsas

25. Un lápiz pequeño se coloca en forma perpendicular al eje de una lente convergente, formándose una imagen virtual nítida sobre una pantalla y con un aumento de 3. Si la distancia del objeto y la imagen es 40cm, determine la distancia focal de la lente.a. 0,1cm b. 10cm c. 20cmd. 7,5cm e. 32,5cm

26. Un objeto luminoso está a cierta distancia “L” de una pantalla. Cuando un lente se coloca a ½ de la pantalla

(entre el objeto y la pantalla), se produce la imagen del objeto luminoso sobre la pantalla. Diga el tipo de lente y su lente focal.a. convergente: L/4 b.convergente: L/2b. convergente: L/3 d.divergente: L/5c. divergente: L/3

27. Con una lente convergente se obtiene una imagen cuyo tamaño, es el cuádruple la del objeto. Si dicho lo alejamos 5cm, de la lente el aumento disminuye a la mitad del valor inicial. Determinar la longitud focal de la lente.a. +10cm b. +15cm c. +20cmd. +25cm e. +12cm

28. Los radios de curvatura de una lente biconvexa son 15cm. La lente está hecha de vidrio con un índice de refracción de 1,53 en el aire. Calcular la distancia focal si se sumerge en bisulfuro de carbono (n = 1,628)a. 143.2cm b. +141.3cm c. -141.3cmd. -143.2cm e. 134.2cm

29. Se tiene una lente cóncavo – convexo cuyos radios de curvatura son de 10 y 40cm respectivamente. Si el índice de refracción de la lente es 15. Determine la potencia de la lente.a. 3.75 dioptrías b. -3.0 dioptríasc. -3.75 dioptrías d. 7.5 dioptríase. -5.7 dioptrías

30. Determine la potencia de la lente equivalente construida por dos lentes delgadas en contacto mutuo. Ambas son de vidrio nV = 1,5

a. 0.5 dioptrías b. 1 dioptríasc. 1.5 dioptrías d. 2.0 dioptríase. 2.5 dioptrías

31. Cierto adulto tiene un punto más cercano de 50cm. ¿Cuál es la magnificación máxima que puede obtener esta persona utilizando una lente de aumento con una longitud focal de 10cm?a. 2 b. 3 c. 6 d. 9 e. N.A.

32. Un estudiante de física utiliza una lente convergente con longitud focal de 20cm para leer una pequeña escala de medida. (a) ¿Cuál es la magnificación máxima que puede obtener? (b) ¿Cuál es la magnificación para la visión con un ojo relajado?a. 1,2 y 3,2 b. 1,5 y 2,5c. 1,25 y 2, 25 d. 2 y 3e. N.A.

33. Un estudiante utiliza una lente de aumento para examinar los detalles de un microcircuito en el laboratorio. Si la lente tiene una longitud focal de 8cm y se forma una imagen virtual en el punto más cercano (25cm) del estudiante, (a) ¿A qué distancia del circuito se sostiene la lente? y (b) ¿Cuál es la magnificación?.a. 2,12b. 3,22 c. 4,125d. 5,75e. N.A.

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Academia Pre Universitaria Alexander Fleming 3º Boletín Anual Ciencias 200634. Un detective observa una huella

digital con una lente de aumento cuya potencia es de +2,5D. ¿Cuál es la magnificación máxima de la huella?a. 1,625 b. 2,275 c. 3,2d. 4,75e. N.A.

35. ¿Cuál es la magnificación máxima de una lente de aumento con potencia de +3D para (a) una persona con un punto más cercano de 25cm y (b) una persona con un punto más cercano de 10cm.a. 0,5 b. 0,75 c. 1,25d. 1,75e. N.A.

36. La longitud focal de la lente objetivo de un microscopio compuesto es de 4,5mm. El ocular tiene una longitud focal de 4cm. Si la distancia entre las lentes es de 18cm. ¿Cuál es la magnificación de la imagen observada?a. -100 b. -125 c. -175d. -250 e. N.A

37. Cierta persona con presbicia tiene un punto más cercano de 45cm ¿Qué tipo y potencia de lentes debe prescribir un optometrista para que la persona pueda ver los objetos con claridad a una distancia de 25cm?

a. divergente y – 1,5Db. convergente y 2c. divergente y – 2d. convergente y 1,5e. N.A.38. El punto más lejano de cierta persona

miope es de 250cm. ¿Qué tipo de lentes y con qué longitud focal permitirían a esta persona ver los objetos distantes con claridad?

a. convergente y 2,5cmb. divergente y – 2,5cmc. convergente y 1,2cmd. divergente y – 0,4cme. N.A.

39. Una mujer no puede ver con claridad los objetos que están a una distancia mayor de 8m. (a) ¿Tiene miopía o presbicia?. (b) ¿Qué tipo de lentes y potencia (en dioptrías) le permitirían ver los objetos distantes con claridad?.

a. miopía; divergente y – 0,125Db. presbicia; convergente y 0,75Dc. miopía; divergente y – 0,75Dd. presbicia; convergente y 0,9De. N.A.40. Un profesor con presbicia sólo puede

leer un libro con claridad si los sostiene el brazo alargado (0,80m de los ojos). ¿Qué tipo de lentes y con qué longitud focal del permitirán leer un texto colocado en el punto más cercano normal?

a. convergente; 2/11cmb. divergente; - 4/11cmc. convergente; 4/11cmd. divergente; - 2/11cme. N.A.41. Para corregir un caso de

hipermetropía, un optometrista prescribe unos lentes de contacto positivos que mueven el punto más cercano del paciente de 100cm a 25cm. (a) ¿Cuál es la potencia de los lentes? (b) ¿Podrá la persona ver con claridad los objetos distantes con los lentes o deberá quitárselos?

a. 3D; convergentesb. – 2D; divergentes c. 4D; convergentesd. - 4D; divergentese. N.A.42. Una persona con presbicia utiliza

unos anteojos cuyas lentes tienen una potencia de + 1,25D y que le permiten ver objetos con claridad a una distancia

de 25cm. ¿Cuál es el punto más cercano de la persona?

a. – 18cm b. – 36cm c. – 72cmd. – 25cm e. N.A.

43. Una persona con miopía utiliza unos anteojos cuyas lentes tienen una potencia de – 0,4D. ¿Cuál es el punto más lejano de la persona?a. - 2,5m b. - 3m c. - 5md. - 6m e. N.A.

44. Una persona con miopía tiene un punto más lejano localizado a 625cm de un ojo. Si se utiliza una lente correctiva a 2cm del ojo ¿Cuál será la potencia necesaria para que la persona pueda ver objetos distantes?a. – 0,8D b. – 0,4D c. – 0, 16Dd. – 0,24D e. N.A.

45. Tras el examen de un optometrista, se determina que el punto más cercano de una persona ha pasado de 40cm a 50cm. ¿Cuál es la diferencia entre las potencias de las lentes prescritas, de modo que la persona pueda leer el periódico a una distancia de 25cm (suponga el mismo punto más cercano para ambos ojos).a. 0,125D b. 0,15D c. 0,25Dd. 0,5D e. N.A.

46. Los anteojos bifocales se utilizan para corregir la miopía y presbicia de una persona. Si los puntos más cercanos de la persona son de 35,0cm y 45,0cm en sus ojos derecho e izquierdo respectivamente, u si el punto más lejano está a 220cm para ambos ojos, ¿Cuáles son las potencias de las lentes prescritas para los anteojos? (Suponga que los anteojos se utilizan a 3cm de los ojos).a. OD: 1,14D: - 0,46D

OI: 1,78D: - 0,46Db. OD: 1,2D: - 0,5D

OI: 1,9D: - 0,5Dc. OD: 2,2D: - 0,4D

OI: 2,28D: - 0,4Dd. OD: 1,5D: - 0,3D

OI: 1,8D: - 0,3De. N.A.

NOTAS:………………………………………

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