Física Para Ingenierías
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FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA
M.Sc. Eduardo Montero Ph.D. Peter Iza Mat. Jorge Medina
INTRODUCCIÓN
A continuación se presenta la propuesta de las materias del área de Física que forman
parte del núcleo básico de Ciencias para Ingenierías. La siguiente propuesta está basada
en los requerimientos mínimos entregados por las Unidades Académicas y los
requerimientos necesarios para la acreditación ABET.
Los cursos de Física han estado centrados en el conocimiento de hechos, teorías
científicas y aplicaciones tecnológicas. Las nuevas tendencias pedagógicas ponen el
énfasis en la naturaleza, estructura y unidad de la ciencia, y en el proceso de
"indagación" científica. El problema que se presenta al profesor, es el de transmitir una
concepción particular o estructura de conocimiento científico a los estudiantes, de forma
que se convierta en componente permanente de su propia estructura cognoscitiva.
La Física y las demás ciencias de la naturaleza encierran en sí mismas un elevado valor
cultural. Para la comprensión del mundo moderno desarrollado tecnológicamente, es
necesario tener conocimientos de Física. La demanda creciente de conocimiento
científico por el público en general, es un indicador del gran impacto social de la
revolución científico-técnica, como lo indica la existencia de revistas de divulgación,
los artículos y secciones fijas en los periódicos de mayor difusión, la publicación de
libros escritos por importantes científicos en un formato atractivo y alejados de la aridez
de los artículos de las revistas científicas, la publicación de libros de historia de la
ciencia y biografías de sus principales artífices, etc.
Todo país que quiera mantenerse en los primeros lugares, con industrias competitivas, y
aceptable nivel tecnológico, ha de potenciar el nivel de calidad de la enseñanza de las
ciencias en todos los niveles.
En este proceso de reforma curricular se plantea el reto de formar personas altamente
preparadas, y con flexibilidad mental para adaptarse a los cambios que ocasiona la
introducción de nuevas tecnologías. Estamos en un momento en que se ha perdido la
idea de una carrera para toda la vida. De aquí se deriva, la importancia de tener unos
conocimientos afianzados que lo suministran las asignaturas básicas, una de las cuales,
es la Física.
El objetivo básico que se pretende que consigan los estudiantes al finalizar los cursos de
Física, es el aprendizaje significativo, es decir, la habilidad de interpretar y usar el
conocimiento en situaciones no idénticas a aquellas en las que fue inicialmente
adquirido. Para alcanzar este objetivo es necesario ayudar a los estudiantes a:
1. Desarrollar y aplicar ideas importantes (principios y leyes) que expliquen un
amplio campo de fenómenos en el dominio de la Física a nivel introductorio.
2. Aprender técnicas, y adquirir hábitos o modos de pensar y razonar.
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Y en cuanto a las actitudes, se intentará que los estudiantes:
1. Sean responsables de su propio proceso de aprendizaje.
2. Tengan una actitud positiva hacia la ciencia y en particular, hacia la Física.
Las modificaciones sustanciales son:
a. El dictado de Física I para ingenieros luego de haber aprobado Cálculo.
b. Reestructuración de los cursos de Física. Se reduce el número de horas teóricas
de 4 a 3 horas semanales, y de cuatro a tres cursos en los cuales se desarrollarán
los conceptos más relevantes.
c. Algunos conceptos serán desarrollados por los estudiantes en las horas de
trabajo independiente.
d. Se asignan a cada curso de Física dos horas prácticas semanales. En dichas
horas, los profesores, asistidos por los técnicos docentes, podrán desarrollar
talleres de resolución de problemas.
e. Los laboratorios de Física no pueden ser dictados como materias aisladas y por
el limitante de horas, no se pueden desarrollar la misma cantidad de prácticas
que se realizan actualmente. Se están seleccionando un grupo de prácticas
representativas que se realizarán durante las horas prácticas.
f. Con el fin de complementar los conocimientos adquiridos en los cursos
introductorios, se ofrece de manera opcional el curso de Física IV para
ingenieros de 2 horas semanales.
Los campos temáticos de los cursos de Física del núcleo básico de Ciencias para
Ingenierías son los siguientes:
FÍSICA I PARA INGENIEROS
1. CINEMÁTICA (6 horas)
1.1. Concepto de partícula
1.2. Sistemas de referencia
1.3. Distancia, posición y desplazamiento
1.4. Velocidad media e instantánea
1.5. Aceleración media e instantánea
1.6. Movimientos en una dimensión
1.7. Movimientos en dos dimensiones
1.8. Movimiento circular
1.9. Velocidad relativa: ecuaciones de transformación galileanas
2. LEYES DEL MOVIMIENTO DE NEWTON (6 horas)
2.1. Fuerza e interacciones
2.2. Primera ley de Newton
2.3. Segunda ley de Newton
2.4. Tercera ley de Newton
2.5. Diagramas de cuerpo libre
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2.6. Empleo de la primera ley de Newton: Partículas en equilibrio
2.7. Empleo de la segunda ley de Newton: Dinámica de partículas
2.8. Fuerzas de fricción
2.9. Dinámica del movimiento circular
2.10. Fuerzas fundamentales de la naturaleza
3. TRABAJO Y ENERGÍA (6 horas)
3.1. Trabajo
3.2. Energía cinética y el teorema trabajo-energía
3.3. Trabajo y energía con fuerza variable
3.4. Potencia
3.5. Energía potencial gravitacional
3.6. Energía potencial elástica
3.7. Fuerzas conservativas y no conservativas
3.8. Fuerza y energía potencial
3.9. Diagramas de energía
4. MOMENTO LINEAL, IMPULSO Y CHOQUES (6 horas)
4.1. Momento lineal e impulso
4.2. Conservación del momento lineal
4.3. Conservación del momento lineal y choques
4.4. Choques elásticos
4.5. Centro de masa
4.6. Propulsión a reacción
5. ROTACIÓN DE CUERPOS RÍGIDOS (9 horas)
5.1. Velocidad y aceleración angulares
5.2. Rotación con aceleración angular constante
5.3. Relación entre cinemática lineal y angular
5.4. Energía en el movimiento rotacional
5.5. Teorema de los ejes paralelos
5.6. Cálculos de momento de inercia
5.7. Torca
5.8. Torca y aceleración angular de un cuerpo rígido
5.9. Rotación de un cuerpo rígido sobre un eje móvil
5.10. Trabajo y potencia en movimiento rotacional
5.11. Momento angular
5.12. Conservación del momento angular
5.13. Giróscopos y precesión
6. EQUILIBRIO Y ELASTICIDAD (3 horas)
6.1. Condiciones del equilibrio
6.2. Centro de gravedad
6.3. Resolución de problemas de equilibrio de cuerpos rígidos
6.4. Esfuerzo, deformación y módulos de elasticidad
6.5. Elasticidad y plasticidad
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7. GRAVITACIÓN (3 horas)
7.1. Ley de Newton de la gravitación
7.2. Peso
7.3. Energía potencial gravitacional
7.4. Movimiento de satélites
7.5. Las leyes de Kepler y el movimiento de los planetas
7.6. Distribuciones esféricas de masa
7.7. Peso aparente y rotación terrestre
8. MOVIMIENTO PERIÓDICO (3 horas)
8.1. Descripción de la oscilación
8.2. Movimiento armónico simple
8.3. Energía en el movimiento armónico simple
8.4. Aplicaciones del movimiento armónico simple
8.5. El péndulo simple
8.6. El péndulo físico
8.7. Oscilaciones amortiguadas
8.8. Oscilaciones forzadas y resonancia
9. MECÁNICA DE FLUIDOS (6 horas)
9.1. Densidad
9.2. Presión en un fluido
9.3. Flotación
9.4. Flujo de fluido
9.5. Ecuación de Bernoulli
9.6. Viscosidad y turbulencia
FÍSICA II PARA INGENIEROS
1. ONDAS MECÁNICAS (6 horas)
1.1. Tipos de ondas mecánicas
1.2. Ondas periódicas
1.3. Descripción matemática de una onda
1.4. Rapidez de una onda transversal
1.5. Energía del movimiento ondulatorio
1.6. Interferencia de ondas, condiciones de frontera y superposición
1.7. Ondas estacionarias en una cuerda
1.8. Modos normales de una cuerda
2. SONIDO (3 horas)
2.1. Ondas sonoras
2.2. Rapidez de las ondas sonoras
2.3. Intensidad del sonido
2.4. Ondas sonoras estacionarias y modos normales
2.5. Resonancia
2.6. Interferencia de ondas
2.7. Pulsos
2.8. El efecto Doppler
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2.9. Ondas de choque
3. TEMPERATURA Y CALOR (3 horas)
3.1. Temperatura y equilibrio térmico
3.2. Termómetros y escalas de temperatura
3.3. Termómetros de gas y la escala Kelvin
3.4. Expansión térmica
3.5. Cantidad de calor
3.6. Calorimetría y cambios de fase
3.7. Mecanismos de transferencia de calor
4. PROPIEDADES TÉRMICAS DE LA MATERIA (3 horas)
4.1. Ecuaciones de estado
4.2. Propiedades moleculares de la materia
4.3. Modelo cinético-molecular del gas ideal
4.4. Capacidades caloríficas
4.5. Rapideces moleculares
4.6. Fases de la materia
5. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA (3 horas)
5.1. Sistemas termodinámicos
5.2. Trabajo realizado al cambiar el volumen
5.3. Trayectoria entre estados termodinámicos
5.4. Energía interna y la primera ley de la termodinámica
5.5. Tipos de procesos termodinámicos
5.6. Energía interna de un gas ideal
5.7. Capacidad calorífica del gas ideal
5.8. Proceso adiabático para el gas ideal
6. LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA (6 horas)
6.1. Dirección de los procesos termodinámicos
6.2. Maquinas térmicas
6.3. Motores de combustión interna
6.4. Refrigeradores
6.5. La segunda ley de la termodinámica
6.6. El ciclo de Carnot
6.7. Entropía
6.8. Interpretación microscópica de la entropía
7. CARGA ELÉCTRICA Y CAMPO ELÉCTRICO (6 horas)
7.1. Carga eléctrica
7.2. Conductores, aislantes y cargas inducidas
7.3. Ley de Coulomb
7.4. El campo eléctrico y las fuerzas eléctricas
7.5. Cálculos de campos eléctricos
7.6. Líneas de campo eléctrico
7.7. Dipolos eléctricos
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8. LEY DE GAUSS (3 horas)
8.1. Carga y flujo eléctrico
8.2. Cálculo del flujo eléctrico
8.3. Ley de Gauss
8.4. Aplicaciones de la ley de Gauss
8.5. Cargas en conductores
9. POTENCIAL ELÉCTRICO (6 horas)
9.1. Energía potencial eléctrica
9.2. Potencial eléctrico
9.3. Cálculo del potencial eléctrico
9.4. Superficies equipotenciales
9.5. Gradiente de potencial
10. CAPACITANCIA Y DIELÉCTRICOS (3 horas)
10.1. Capacitores y capacitancia
10.2. Capacitores en serie y en paralelo
10.3. Almacenamiento de energía en capacitores y energía de campo eléctrico
10.4. Dieléctricos
10.5. Modelo molecular de la carga inducida
10.6. La Ley de Gauss en los dieléctricos
11. CORRIENTE, RESISTENCIA Y FUERZA ELECTROMOTRIZ (3 horas)
11.1. Corriente eléctrica
11.2. Resistividad
11.3. Resistencia
11.4. Fuerza electromotriz y circuitos
11.5. Energía y potencia en circuitos eléctricos
11.6. Teoría de la conducción metálica
12. CIRCUITOS DE CORRIENTE DIRECTA (3 horas)
12.1. Resistores en serie y en paralelo
12.2. Reglas de Kirchhoff
12.3. Instrumentos de medición eléctrica
12.4. Circuitos R-C
12.5. Sistemas de distribución de energía
FÍSICA III PARA INGENIEROS
1. CAMPO MAGNÉTICO Y FUERZAS MAGNÉTICAS (6 horas)
1.1. Magnetismo
1.2. Campo magnético
1.3. Líneas de campo magnético y flujo magnético
1.4. Movimiento de partículas cargadas en un campo magnético
1.5. Aplicaciones del movimiento de partículas cargadas
1.6. Fuerza magnética sobre un conductor que transporta corriente
1.7. Fuerza y par de torsión en una espira de corriente
1.8. El motor de corriente directa
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1.9. El Efecto Hall
2. FUENTES DE CAMPO MAGNÉTICO (6 horas)
2.1. Campo magnético de una carga en movimiento
2.2. Campo magnético de un elemento de corriente
2.3. Campo magnético de un conductor que transporta corriente
2.4. Fuerza entre alambres paralelos
2.5. Campo magnético de una espira circular de corriente
2.6. Ley de Ampère
2.7. Aplicaciones de la ley de Ampère
2.8. Materiales magnéticos
3. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA (3 horas)
3.1. Experimentos de inducción
3.2. Ley de Faraday
3.3. Ley de Lenz
3.4. Fuerza electromotriz de movimiento
3.5. Campos eléctricos inducidos
3.6. Corrientes parásitas
3.7. Corriente de desplazamiento y ecuaciones de Maxwell
4. INDUCTANCIA (3 horas)
4.1. Inductancia mutua
4.2. Autoinductancia e inductores
4.3. Energía del campo magnético
4.4. El circuito R-L
4.5. El circuito L-C
4.6. El circuito L-R-C en serie
5. CORRIENTE ALTERNA (3 horas)
5.1. Fasores y corrientes alternas
5.2. Resistencia y reactancia
5.3. El circuito L-R-C en serie
5.4. Potencia en circuitos de corriente alterna
5.5. Resonancia en los circuitos de corriente alterna
5.6. Transformadores
6. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (3 horas)
6.1. Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas
6.2. Ondas electromagnéticas planas y rapidez de la luz
6.3. Ondas electromagnéticas sinusoidales
6.4. Energía y cantidad de movimiento de las ondas electromagnéticas
6.5. Ondas electromagnéticas estacionarias
7. NATURALEZA Y PROPAGACIÓN DE LA LUZ (3 horas)
7.1. La naturaleza de la luz
7.2. Reflexión y refracción
7.3. Reflexión interna total
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7.4. Dispersión
7.5. Principio de Huygens
8. ÓPTICA GEOMÉTRICA (6 horas)
8.1. Reflexión y refracción en una superficie plana
8.2. Reflexión en una superficie esférica
8.3. Refracción en una superficie esférica
8.4. Lentes delgadas
8.5. Cámaras fotográficas
8.6. El ojo
8.7. La lente de aumento
8.8. Microscopios y telescopios
9. INTERFERENCIA (3 horas)
9.1. Interferencia y fuentes coherentes
9.2. Interferencia de la luz procedente de dos fuentes
9.3. La intensidad en los patrones de interferencia
9.4. Interferencia en películas delgadas
9.5. El interferómetro de Michelson
10. DIFRACCIÓN Y POLARIZACIÓN (3 horas)
10.1. Difracción de Fresnel y Fraunhofer
10.2. Difracción desde una sola ranura
10.3. Intensidad en el patrón de una sola ranura
10.4. Ranuras múltiples
10.5. Rejilla de difracción
10.6. Difracción de rayos x
10.7. Aberturas circulares y poder de resolución
10.8. Holografía
10.9. Polarización
10.10. Dispersión de la luz
11. RELATIVIDAD (6 horas)
11.1. Invariabilidad de las leyes físicas
11.2. Relatividad de la simultaneidad
11.3. Relatividad de los intervalos de tiempo
11.4. Relatividad de la longitud
11.5. Transformaciones de Lorentz
11.6. Efecto Doppler en ondas electromagnéticas
11.7. Cantidad de movimiento relativista
11.8. Trabajo y energía relativistas
11.9. Mecánica newtoniana y relatividad
12. FOTONES, ELECTRONES Y ÁTOMOS (3 horas)
12.1. Emisión y absorción de la luz
12.2. El efecto fotoeléctrico
12.3. Espectros atómicos de líneas y niveles de energía
12.4. El átomo nuclear
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12.5. El modelo de Bohr
12.6. El láser
12.7. Producción y dispersión de rayos x
12.8. Espectros continuos
12.9. Dualidad onda-partícula
FÍSICA IV PARA INGENIEROS
1. LA NATURALEZA ONDULATORIA DE LAS PARTÍCULAS (6 horas)
1.1. Ondas de De Broglie
1.2. Difracción de electrones
1.3. Probabilidad e incertidumbre
1.4. El microscopio electrónico
1.5. Funciones de onda y la ecuación de Schrödinger
2. MECÁNICA CUÁNTICA (4 horas)
2.1. Partícula en una caja
2.2. Pozos de potencial
2.3. Barreras de potencial y tunelamiento
2.4. El oscilador armónico
2.5. Problemas tridimensionales
3. ESTRUCTURA ATÓMICA (6 horas)
3.1. Los primeros modelos del átomo
3.2. El átomo de hidrógeno
3.3. El número cuántico magnético del spin
3.4. Las funciones de onda para el hidrógeno
3.5. El efecto Zeeman
3.6. Espín del electrón
3.7. Átomos con muchos electrones y el principio de exclusión
3.8. Espectros de rayos x
4. MOLÉCULAS Y MATERIA CONDENSADA (6 horas)
4.1. Clases de enlaces moleculares
4.2. Espectros moleculares
4.3. Estructura de los sólidos
4.4. Bandas de energía
4.5. Modelo de electrones libres para los metales
4.6. Semiconductores
4.7. Dispositivos con semiconductores
4.8. Superconductividad
5. FÍSICA NUCLEAR (6 horas)
5.1. Propiedades de los núcleos
5.2. Enlace nuclear y estructura nuclear
5.3. Estabilidad nuclear y radiactividad
5.4. Actividades y vidas medias
5.5. Efectos biológicos de la radiación
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M.Sc. Eduardo Montero Ph.D. Peter Iza Mat. Jorge Medina
5.6. Detectores de radiación
5.7. Interacciones que involucran neutrones
5.8. Fisión nuclear
5.9. Reactores nucleares
5.10. Fusión nuclear
6. FÍSICA DE PARTÍCULAS Y COSMOLOGÍA (4 horas)
6.1. Las partículas fundamentales y su historia
6.2. Aceleradores y detectores de partículas
6.3. Partículas e interacciones
6.4. Los quarks y las ocho maneras
6.5. El modelo estándar y más allá
6.6. El Universo en expansión
6.7. El principio del tiempo