Preguntas Teoria

Preguntas tericas PAU Fsica, curso 2014-15

Preguntas tericas Tema 1. Fundamentos de mecnica Momento lineal y conservacin Momento angular de una partcula Conservacin de la energa Tema 2. Oscilaciones y ondas Clases de ondas Energa del movimiento armnico simple Principio de Huygens Tema 3. Interaccin gravitatoria Leyes de Kepler Ley de la gravitacin universal Energa potencial gravitatoria Tema 4. Interaccin electromagntica Carga elctrica. Ley de Coulomb Energa potencial y potencial elctricos Induccin electromagntica: leyes de Faraday y Lenz Tema 5. ptica Naturaleza de la luz Leyes de la reflexin y la refraccin Defectos de la visin: ametropas Tema 6. Fsica moderna Relatividad especial. Postulados y repercusiones Concepto de fotn. Dualidad onda-corpsculo Tipos de radiaciones nucleares Tranversales Interacciones fundamentales Aplicaciones de la Fsica: tecnologa y sociedad


MOMENTO LINEAL (CANTIDAD DE MOVIMIENTO) Y CONSERVACIN

Se llama momento lineal o cantidad de movimiento de una partcula al producto de su masa por su

velocidad:

vmp

Es una magnitud vectorial que tiene la direccin y el sentido del vector velocidad. Se mide en

kgm/s en el SI.

El momento lineal da cuenta del movimiento de un cuerpo en proporcin a su masa. As, dos

cuerpos tienen momentos lineales diferentes si sus masas son distintas, aunque se muevan a la

misma velocidad (ej.: un camin a 20 km/h posee ms cantidad de movimiento que una bicicleta a

20 km/h), o si se mueven a distinta velocidad aunque tengan igual masa. El momento lineal de un

cuerpo puede cambiar a lo largo del tiempo si cambia su velocidad (ej.: un coche que acelera o

frena), o si cambia su masa (ej.: un cohete que va quemando combustible).

El momento lineal de un sistema de partculas es la suma de los momentos lineales de cada una

de las partculas que constituyen el sistema:

N

iipp

1

En Dinmica se redefine la magnitud fuerza como la variacin temporal del momento lineal:

dt

dmvam

dt

vmd

dt

pdF

)(

Esta formulacin permite deducir las leyes de Newton como un caso particular cuando la masa es

constante.

Principio de conservacin del momento lineal

Como dtpdF /

, ctepF

0si . Este resultado se conoce como principio de conservacin

del momento lineal, que puede expresarse as:

Si tenemos un cuerpo aislado sobre el que no actan fuerzas, o si la fuerza neta sobre el

cuerpo es nula, su momento lineal se mantiene constante.

El principio de conservacin es fundamental en la dinmica de colisiones. Por ejemplo, para un

sistema de dos partculas: cteppp 21

; es decir, la suma de los momentos lineales de cada

partcula vale lo mismo antes y despus de la colisin; o dicho de otro modo: cuando dos

partculas interaccionan, la variacin de la cantidad de movimiento de una de ellas es igual y de

sentido opuesto a la variacin de la cantidad de movimiento de la otra.

La Fsica no admite excepciones al principio de conservacin en la naturaleza. Cuando en algn

experimento se observa que no se cumple, se propone la existencia de alguna partcula

desconocida. Esta metodologa ha llevado al descubrimiento, por ejemplo, del neutrn y del

neutrino.


MOMENTO ANGULAR (CINTICO) DE UNA PARTCULA

El momento angular (o momento cintico) de una partcula con respecto a un punto O es el

producto vectorial de su vector de posicin ( r

), con respecto a dicho punto, por su momento lineal

( p

):

prL

Como vmp

, donde m es la masa y v

la velocidad de la partcula, se puede reescribir la

definicin como: vrmL

. El momento angular se mide en kgm2/s en el SI.

L

es una magnitud vectorial, perpendicular a r

y a v

.

Su mdulo es senvrmL , donde es el ngulo que forman r

y v

.

Si r

y v

son paralelos, el momento angular es nulo.

El momento angular caracteriza el movimiento de rotacin de la partcula.

Variacin del momento angular

Mdt

LdFrpv

dt

pdrp

dt

rd

dt

Ld

M

0

donde se ha definido el momento M

de la fuerza, con respecto al mismo punto O, como el

producto vectorial de r

y F

.

Este resultado es fundamental para el estudio de las rotaciones: su significado fsico es que el

momento de la fuerza tiende a cambiar la direccin del movimiento.

Teorema de conservacin

Si el momento de la fuerza neta que acta sobre la partcula es nulo, el momento angular se

conserva: LM

0 = constante. Esto ocurre cuando la fuerza neta es cero, o cuando la

fuerza es paralela a r

, como ocurre en el caso de las fuerzas centrales.


4

CONSERVACIN DE LA ENERGA

Se define la energa mecnica de una partcula como la suma de su energa cintica y de su

energa potencial: pc EEE .

El teorema de las fuerzas vivas o teorema de la energa cintica nos dice que el trabajo total

realizado sobre una partcula por las distintas fuerzas actuantes es igual al cambio de energa

cintica que experimenta la partcula: cEW .

El trabajo total es la suma del realizado por las fuerzas conservativas ( CW ) y el efectuado por las

fuerzas no conservativas ( NCW ): CNC WWW .

(Recordemos que las fuerzas conservativas son las que pueden devolver el trabajo que se realiza

para vencerlas, como la fuerza de un muelle o las fuerzas centrales.)

Por otra parte, el trabajo realizado exclusivamente por las fuerzas conservativas se puede

expresar como una disminucin de la energa potencial de la partcula: pC EW .

En resumen, podemos escribir:

EWEEWEWWWEW NCpcNCpNCCNCc

Lo anterior expresa el resultado conocido como principio de conservacin de la energa

mecnica:

La energa mecnica de un cuerpo sujeto nicamente a fuerzas conservativas se mantiene

constante.

pcNC EEcteEEW 0 0 Si

Es decir: el aumento de energa cintica conlleva una disminucin de energa potencial (y al

revs). Ej.: la energa potencial gravitatoria de una piedra que cae desde un puente se transforma

en energa cintica y la energa mecnica permanece constante durante toda la cada (si

despreciamos la friccin con el aire).

Cuando actan tambin fuerzas no conservativas, el trabajo realizado por stas produce una

variacin en la energa mecnica del cuerpo. Por ejemplo, si existe rozamiento se disipa parte de

la energa y el cuerpo se frena. Pero la energa mecnica disipada se transforma en algn otro

tipo de energa; en el caso del rozamiento se produce un aumento de la energa interna del

sistema cuerpo-superficie de friccin, que se manifiesta en un incremento de la temperatura.

As llegamos al principio general de conservacin de la energa:

Si consideramos el conjunto de todo el sistema como un todo aislado (sin interaccin con ningn

otro sistema), la energa total del sistema es constante. La energa no puede crearse ni destruirse;

en los procesos fsicos ocurren intercambios de energa, pero siempre de forma que la energa

total se mantenga constante.


5

CLASES DE ONDAS

Existen varias clasificaciones posibles:

Segn el medio en el que se propaga la onda:

- Las que No necesitan un medio material para propagarse y pueden, por tanto,

propagarse en el vaco. stas son las ondas electromagnticas y las gravitatorias. Ejemplos de

ondas electromagnticas son: la luz, las ondas de radio, televisin y telefona mvil, las

microondas, los rayos ultravioleta, los rayos gamma, etc.

- Las que Necesitan un medio material para propagarse. A este tipo responden el resto

de fenmenos ondulatorios que conocemos, como por ejemplo: el sonido, las olas, las vibraciones

de una cuerda, etc. Este tipo de ondas son el resultado del movimiento ordenado de muchas

partculas.

Segn la direccin de vibracin:

- Ondas Transversales: la vibracin se produce en alguna direccin perpendicular a la

direccin de propagacin. Ejemplos: cuerda sacudida transversalmente y ondas

electromagnticas.

- Ondas Longitudinales: la vibracin se produce en la direccin de propagacin. Ejemplo:

ondas sonoras.

Segn el nmero de dimensiones del espacio en el que se propagan:

- Unidimensionales (ej.: vibraciones en una cuerda).

- Bidimensionales (ej.: olas en la superficie de un lquido o vibraciones en una

membrana).

- Tridimensionales (ej.: la luz y el sonido).


6

ENERGA DEL MOVIMIENTO ARMNICO SIMPLE

La energa de una partcula que realiza un movimiento armnico simple est formada por dos

contribuciones: la energa cintica cE , asociada a la velocidad de la partcula, y la energa

potencial pE , debida a la fuerza recuperadora.

El desplazamiento del movimiento viene descrito por la expresin )(sen tAx , la velocidad

es )cos(/ tAdtdxv , y la fuerza actuante ( xkF ) tiene asociada una energa

potencial de tipo elstico 221 xkEp .

As, la energa potencial es:

)(sen2 tAkEp2

21

y la energa cintica:

)(cos)(cos tAktAmmvEc22

21222

212

21

donde 2mk .

Por tanto, la energa total resulta:

2max2

12

2122

2122

21 )(sen)(cos vmAktAktAkEEE pc

La energa total del movimiento armnico simple permanece constante. Es igual al valor mximo

de la energa cintica, e igual al valor mximo de la energa potencial. Hay una transformacin

continua de energa cintica en potencial, y viceversa.


7

PRINCIPIO DE HUYGENS

Se trata de un mecanismo sencillo para la construccin de frentes de ondas a partir de frentes en

instantes anteriores. Un frente de ondas es cada una de las superficies que pasan por los puntos

donde una onda oscila con la misma fase. El principio dice que:

Los puntos situados en un frente de ondas se convierten en fuentes de ondas secundarias,

cuya envolvente constituye un nuevo frente de ondas primario.

La forma de aplicarlo es la siguiente: se trazan pequeos semicrculos de igual radio con centros

en diferentes puntos de un frente de ondas, y luego se traza la envolvente de los semicrculos, la

cual constituye el nuevo frente de ondas.

La figura muestra un ejemplo de aplicacin a un frente de ondas esfrico y otro ejemplo para

explicar la difraccin de un frente de ondas plano producida por un obstculo.

nuevo frente

onditas secundarias

rayos

obstculo

explicacin de la difraccin

Una consecuencia del principio de Huygens es que todos los rayos tardan el mismo tiempo entre

dos frentes de onda consecutivos. Los rayos son lneas perpendiculares a los frentes de onda que

indican la direccin de propagacin de la onda.

Aunque Huygens lo formul para las ondas materiales, que eran las nicas conocidas en su

poca, su principio es vlido para todo tipo de ondas. Kirchhoff extendi el mtodo a las ondas

electromagnticas, una vez que fueron descubiertas.


8

LEYES DE KEPLER

Son leyes empricas enunciadas por Kepler en el siglo XVII para describir el movimiento de los

planetas alrededor del Sol. Son tres:

1 Ley (ley de las rbitas): Los planetas describen rbitas planas elpticas en uno de cuyos focos se encuentra el Sol.

2 Ley (ley de las reas): El vector de

posicin con respecto al Sol de un planeta

barre reas iguales en tiempos iguales.

Es decir, la velocidad areolar es constante.

Esto implica que la velocidad lineal del

planeta es mayor cuanto ms cerca se

encuentra del Sol. Esta ley es equivalente a

la conservacin del momento angular del

planeta con respecto al Sol.

3 Ley (ley de los perodos): Los cuadrados de los perodos de revolucin de los planetas son

proporcionales al cubo de sus distancias medias al Sol.

Una consecuencia es que la velocidad lineal de los planetas no es constante, sino que depende

del radio orbital: un planeta gira ms rpido cuanto ms pequea es la rbita que describe.

Las leyes de Kepler se demostraron tericamente ms tarde gracias a la ley de la gravitacin de

Newton.

Planeta Sol


9

LEY DE LA GRAVITACIN UNIVERSAL

Fue enunciada por Newton en el siglo XVII y permiti explicar todos los efectos gravitatorios

conocidos en su poca (entre ellos: el movimiento de los astros en el sistema solar, las mareas, o

la cada de los cuerpos sobre la Tierra). La ley dice que:

Todo cuerpo del universo atrae a cualquier otro cuerpo con una fuerza central que es

proporcional a la masa de ambos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los

separa.

Matemticamente se formula as:

rur

mmGF

2

21

donde F

es la fuerza gravitatoria entre dos cuerpos de masas 1m y 2m , r es la distancia que los

separa, y ru

es un vector unitario que va del cuerpo que ejerce la fuerza al que la sufre. El signo

menos indica que la fuerza es atractiva. G es una constante denominada constante de la

gravitacin universal que se mide experimentalmente y cuyo valor es 6.6710-11 Nm2/kg2.

m1

F

ru

m2

r

fuerza ejercida por m1 sobre m2

La ecuacin de la fuerza gravitatoria se aplica por igual a las dos masas. As, por ejemplo, la

fuerza de atraccin que ejerce la Tierra sobre la Luna es igual y de sentido contrario a la que

ejerce la Luna sobre la Tierra.

Si tenemos un conjunto de partculas, la fuerza gravitatoria que sufre cada una de ellas es la suma

vectorial de las fuerzas producidas por el resto de partculas.


10

ENERGA POTENCIAL GRAVITATORIA

La fuerza gravitatoria, por ser conservativa, tiene asociada una funcin energa potencial

gravitatoria, pE , tal que el trabajo realizado por la fuerza entre dos puntos A y B es igual a la

disminucin de esta energa potencial:

BA

B

A

B

A

B

A r

ABpp

r

mmG

r

mmG

rmmG

r

drmmGrdu

r

mmG

WBEAE

2121212212

21 1

)()(

As se deduce que la energa potencial gravitatoria de una partcula de masa 1m a una distancia r

de otra masa 2m es igual a

r

mmGEp

21

donde se toma la energa potencial en el infinito igual a cero.

Como se trata de una energa, es una magnitud escalar cuya unidad en el SI es el Julio.

Debido a la accin de la fuerza gravitatoria, los cuerpos tienden a caer espontneamente hacia las

regiones de menor energa potencial.

Para un sistema formado por ms de dos masas, la energa potencial gravitatoria del sistema es la

suma de las energas potenciales de todos los pares distintos de masas que se pueden formar.

Energa potencial en las cercanas de la superficie terrestre

La fuerza gravitatoria que acta sobre un cuerpo de masa m es su peso: jmgF

.

Considerando constante el valor de g en las proximidades de la Tierra, el trabajo realizado por la

fuerza peso cuando el cuerpo se desplaza verticalmente desde el punto A al B resulta:

BAAB ygmygmW . Por tanto, la energa potencial en un punto a una altura h es: hgmEp , donde hemos elegido el origen de energa en h = 0.


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CARGA ELCTRICA. LEY DE COULOMB

La carga elctrica es la propiedad de la materia responsable de la interaccin electromagntica.

Tiene las siguientes propiedades:

- Puede ser positiva o negativa.

- La carga total de un conjunto de partculas es la suma algebraica con el signo de sus cargas

individuales.

- La carga elctrica total de un sistema aislado se conserva.

- La carga est cuantizada: solamente se presenta en cantidades discretas que son mltiplos

enteros de una cantidad elemental: |e| = 1.610-19 C. La carga del electrn es -|e| y la del protn

+|e|.

La unidad de carga en el SI es el Culombio (C).

La ley de Coulomb describe la interaccin entre cargas elctricas en reposo. La ley dice que:

La fuerza ejercida por una carga puntual 1q sobre otra 2q es proporcional al producto de

las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, r, que las separa. Se trata de

una fuerza central dirigida segn la lnea que une las cargas. Es repulsiva si las cargas tienen el

mismo signo y atractiva si tienen signos opuestos. Matemticamente:

rur

qqKF

2

21

donde ru

es el vector unitario que va de 1q a 2q . La constante de proporcionalidad se denomina

constante de Coulomb y su valor: oK 41 / = 9109 N m2/C2, donde o es la permitividad o

constante dielctrica del vaco. En otros medios que no sean el vaco, la constante tiene otros

valores.

q1

F

ruq2

rcargas de distinto signo

cargas del mismo signo

q1

F

ru

q2

fuerza ejercida por q1 sobre q2

La carga 2q ejerce sobre 1q una fuerza igual y de sentido contrario a la que 1q realiza sobre 2q .

Las fuerzas electrostticas cumplen el principio de superposicin: la fuerza neta que ejerce un

conjunto de cargas sobre otra es la suma vectorial de todas las fuerzas ejercidas sobre ella.


12

ENERGA POTENCIAL Y POTENCIAL ELCTRICOS

Como la fuerza elctrica entre dos cargas es conservativa, tiene asociada una funcin energa

potencial elctrica pE , cuya diferencia entre dos puntos corresponde al trabajo realizado por la

fuerza elctrica entre esos puntos:

BA

B

A

B

A

B

Ar

ABpp

r

qqK

r

qqK

rqqK

r

drqqKrdu

r

qqK

WBEAE

2121212212

21 1

)()(

As se deduce que la energa potencial elctrica entre dos cargas es

r

qqE

op

21

4

1

donde se toma la energa potencial en el infinito igual a cero. Como es una energa, se trata de

una magnitud escalar cuya unidad en el SI es el Julio.

Bajo la nica accin de la fuerza elctrica, las cargas se mueven hacia posiciones que

corresponden a una configuracin de mnima energa potencial elctrica.

La energa potencial elctrica total de un conjunto de cargas es la suma de las energas

potenciales de todos los pares distintos de cargas que se pueden formar.

El campo elctrico E

tambin es conservativo; por tanto, tiene asociado un campo escalar

denominado potencial elctrico. El potencial elctrico producido por una carga puntual q situada

en el origen es

r

qV

o4

1

En el SI el potencial se mide en Voltios (V). A la diferencia de potencial entre dos puntos

tambin se le llama voltaje.

El potencial debido a un conjunto de cargas es la suma escalar de los potenciales debidos a cada

una de las cargas.


13

INDUCCIN ELECTROMAGNTICA: LEYES DE FARADAY Y LENZ

La induccin electromagntica es la produccin de electricidad mediante magnetismo en

determinadas condiciones. Los primeros cientficos que la estudiaron fueron Faraday y Henry,

quienes observaron que en un circuito se genera una corriente elctrica en las siguientes

circunstancias:

- Si se acerca un imn al circuito, o se aleja del mismo. O bien el circuito se mueve con respecto al

imn.

- Si hay un movimiento relativo entre el circuito y otro circuito por el que circule una corriente

continua.

- Si el segundo circuito transporta una corriente variable, aunque ambos estn en reposo.

- Si se deforma el circuito en el seno de un campo magntico.

Todos los hechos anteriores pueden explicarse mediante la ley de Faraday, que dice que

La variacin temporal del flujo del campo magntico a travs de un circuito genera en l

una fuerza electromotriz: dtdmef /

La f.e.m. es el trabajo por unidad de carga que se realiza en el circuito. Se mide en Voltios en el

SI.

El flujo (como es el producto escalar del campo por la superficie, SB

) vara si cambia el campo

magntico, la forma del circuito, o la orientacin entre el campo y el circuito. En estos casos habr

corrientes inducidas.

El signo negativo en la ley de Faraday indica el sentido en que circula la corriente inducida. Esto

se expresa en un principio fsico conocido como ley de Lenz: la f.e.m. inducida origina una

corriente cuyo campo magntico se opone a la variacin del flujo magntico que la origina.

Una de las aplicaciones del principio de induccin electromagntica es en la generacin de

corriente elctrica por transformacin de trabajo mecnico en electricidad (por ejemplo, en las

centrales hidroelctricas).


14

NATURALEZA DE LA LUZ

La cuestin sobre cul es la naturaleza de la luz ha supuesto un problema desde la antigedad

hasta el siglo XX. A lo largo de la historia se han desarrollado principalmente dos teoras

contrapuestas:

- la teora corpuscular, que considera que la luz est compuesta de partculas o

corpsculos, y cuyo principal representante fue Newton, y

- la teora ondulatoria, que defiende que la luz se comporta como una onda.

Las dos teoras explicaban los fenmenos de reflexin y de refraccin. Sin embargo, slo la teora

ondulatoria pudo explicar satisfactoriamente los fenmenos de interferencia y de difraccin y el

hecho de que la velocidad de la luz es mayor en los medios menos densos. Esto, junto al

desarrollo del electromagnetismo por Maxwell, consolid como vlida la teora ondulatoria. En el

siglo XIX la cuestin qued zanjada y se admiti que la luz era una onda electromagntica.

Sin embargo, a principios del siglo XX, Einstein tuvo que recurrir de nuevo a la naturaleza

corpuscular de la luz para explicar ciertos fenmenos de emisin y absorcin de luz por la materia,

como el efecto fotoelctrico. A partir de entonces se introdujo en Fsica la dualidad onda-

corpsculo de la luz, que significa que la luz tiene las dos naturalezas: en unos fenmenos se

comporta como una onda electromagntica de una cierta frecuencia, y en otros se comporta como

un flujo de partculas llamadas fotones con una determinada energa.


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LEYES DE LA REFLEXIN Y LA REFRACCIN

Cuando una onda incide sobre la superficie de separacin de dos medios de distinto ndice de

refraccin, una parte de la onda se refleja y otra parte se refracta (se transmite al otro medio). Las

leyes de la reflexin y la reflexin nos dicen que:

- Los rayos incidente, reflejado y refractado estn en un mismo plano, llamado plano de

incidencia, que es perpendicular a la superficie.

- El ngulo de incidencia, i , y el ngulo de reflexin, r , son iguales.

- El ngulo de incidencia y el ngulo de transmisin o refraccin, t , estn relacionados por la

ley de Snell:

ti nn sensen 21 ,

donde 1n y 2n son los ndices en el primer y segundo medios.

n1

n2

i r

t

La ley de Snell implica que si la luz pasa a un medio de ndice mayor, los rayos se acercan a la

normal (se alejan de la normal si el segundo medio posee un ndice menor).

La ley de Snell tambin puede expresarse en funcin de las velocidades de la luz en los dos

medios, teniendo en cuenta que v/cn . As:

2

1

v

v

sen

sen

t

i


16

DEFECTOS DE LA VISIN: AMETROPAS

Las ametropas son defectos refractivos del ojo debidos a un exceso o defecto de potencia ptica,

que tienen como consecuencia que la imagen formada por el ojo en la retina est desenfocada.

(La retina es el tejido de la parte posterior del ojo donde estn los fotorreceptores que envan la

seal al cerebro a travs del nervio ptico.)

Decimos que un ojo es emtrope cuando no presenta ametropas, es decir, cuando su potencia es

la adecuada en relacin con su tamao, de manera que el foco imagen est situado en la retina y

las imgenes estn enfocadas.

Hay tres tipos de ametropas: miopa, hipermetropa y astigmatismo.

Miopa: El ojo tiene un exceso de potencia con relacin a su tamao, por lo que el foco imagen

est situado antes de la retina. En los ojos miopes las imgenes de objetos lejanos estaran

enfocadas en un plano anterior, pero son borrosas en el plano de la retina.

La miopa se corrige con una lente divergente con la potencia (negativa) adecuada para restar el

exceso de potencia del ojo y conseguir que los rayos se enfoquen en la retina.

Hipermetropa: Ocurre lo contrario que en la miopa: el foco imagen cae por detrs de la retina

debido a un defecto de potencia en relacin con la longitud del ojo.

Se corrige mediante una lente convergente (potencia positiva) que compensa el defecto de

potencia del ojo.

EMTROPE retina ojo

MIOPE retina ojo

HIPERMTROPE retina ojo

MIOPE CORREGIDO retina ojo lente

Astigmatismo: Ocurre cuando el ojo tiene distinta potencia ptica a lo largo de dos meridianos

perpendiculares (debido a que alguna de las superficies del ojo no tiene simetra de revolucin o a

que est inclinada respecto a las dems).

(Por ejemplo: un ojo puede ser miope de 2 D en el meridiano horizontal y miope de 3 D a lo

largo del meridiano vertical; decimos que el ojo es miope de 2 D con un astigmatismo de 1 D.)

El astigmatismo se corrige mediante lentes tricas, las cuales poseen dos curvaturas distintas a lo

largo de sendos ejes perpendiculares.


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RELATIVIDAD ESPECIAL. POSTULADOS Y REPERCUSIONES

Un problema fundamental en Fsica a finales del siglo XIX, era que las leyes del

electromagnetismo variaban al cambiar de sistema de referencia, violndose el principio de

relatividad de Galileo que era la base de la mecnica de Newton. As, observadores en

movimiento relativo obtendran diferentes resultados al estudiar los fenmenos electromagnticos.

En 1905, Einstein concili las dos teoras (la mecnica y el electromagnetismo) mediante su

Teora Especial de la Relatividad, que se basa en los dos postulados siguientes:

1 Principio, de relatividad: Todas leyes de la fsica tienen la misma forma en los sistemas

de referencia inerciales (es decir, para diferentes observadores).

2 Principio, de constancia de la velocidad de la luz: La velocidad de la luz en el vaco es

una constante universal.

La teora de Einstein conduce a algunas conclusiones que nos obligan a cambiar las

concepciones clsicas de espacio, tiempo, masa y energa:

- El espacio y el tiempo no son absolutos: observadores en diferentes sistemas inerciales miden

distintos intervalos de tiempo para un mismo suceso y distintas longitudes para un mismo objeto.

- Ningn cuerpo puede viajar a una velocidad superior a la velocidad de la luz en el vaco.

- La masa y la energa son equivalentes, puede transformarse la una en la otra segn la ecuacin 2cmE .


18

CONCEPTO DE FOTN. DUALIDAD ONDA-CORPSCULO

Para explicar ciertos fenmenos de emisin y absorcin de luz por la materia, entre ellos el efecto

fotoelctrico, Einstein retom la teora corpuscular de la naturaleza de la luz. Supuso que la

energa de la radiacin electromagntica no era continua sino discreta, de modo que una onda

electromagntica de frecuencia , se poda considerar compuesta por cuantos o corpsculos que

viajan a la velocidad de la luz, cada uno de los cuales posee una energa hE (donde h es la

constante de Planck) y un momento lineal /hp . A estos cuantos se les llam fotones.

La teora de Einstein no invalid la teora electromagntica de la luz. La fsica moderna tuvo que

introducir la dualidad onda-corpsculo, admitiendo que la luz posee simultneamente

cualidades ondulatorias y corpusculares. Cuando la luz interacta con la materia se comporta

como un chorro de partculas (fotones) con energa y momento lineal; cuando se propaga o sufre

fenmenos de difraccin o interferencia, la luz se comporta como una onda caracterizada

mediante su longitud de onda y frecuencia.

Ms tarde, De Broglie propuso por razones de simetra que la materia tambin presenta la

dualidad onda-corpsculo, de forma que cualquier partcula tiene asociada una onda. La longitud

de onda asociada es pequesima a escalas macroscpicas, de forma que el carcter ondulatorio

de la materia slo se manifiesta al nivel microscpico.


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TIPOS DE RADIACIONES NUCLEARES

Existen los tres tipos siguientes, que se diferencian por el tipo de partculas emitidas y por su

poder de penetracin en la materia:

Radiacin alfa. Est constituida por partculas alfa, que son ncleos de helio formados por dos

protones y dos neutrones, He42 . Se producen al desintegrarse un ncleo padre en un ncleo hijo

que posee dos neutrones y dos protones menos. Las partculas alfa tienen carga elctrica positiva

y penetran muy poco en la materia.

Radiacin beta. Tambin est formada por partculas, en este caso electrones. Estos electrones

no proceden de la corteza sino de la desintegracin de neutrones del ncleo: un neutrn de un

ncleo padre origina un electrn, un protn y otra partcula sin carga llamada antineutrino. El

ncleo hijo posee, por tanto, un protn ms y un neutrn menos. La radiacin beta posee carga

negativa y su poder de penetracin es mayor que el de las partculas alfa.

Radiacin gamma. Es de naturaleza electromagntica; est formada por fotones. Se produce

porque los ncleos pueden estar en diferentes estados energticos. Cuando un ncleo pasa de un

estado excitado a otro de menor energa, se emite un fotn de alta frecuencia. Como los fotones

no tienen carga, la radiacin gamma no sufre desviacin al atravesar un campo elctrico o

magntico. La radiacin gamma es la que mayor poder de penetracin tiene.


20

INTERACCIONES FUNDAMENTALES

Todas las fuerzas de la naturaleza se reducen a cuatro interacciones fundamentales: nuclear

fuerte, nuclear dbil, electromagntica y gravitatoria.

Nuclear Fuerte: Es la ms intensa. Es de muy corto alcance (no se aprecia fuera del ncleo).

Mantiene unidos a los protones y neutrones que componen el ncleo de los tomos. Los ncleos

no seran estables si no existiera esta fuerza, que es ms intensa que la repulsin electrosttica

entre los protones que lo forman.

Electromagntica: Es la segunda en intensidad. Es de largo alcance. Acta sobre partculas

cargadas elctricamente y puede ser atractiva o repulsiva. Es la responsable de que los tomos y

molculas de la materia estn ligados.

Nuclear Dbil: Es la tercera en intensidad. Como la nuclear fuerte, es de muy corto alcance. Es la

causante de algunas reacciones nucleares como la radiacin beta.

Gravitatoria: Es la ms dbil de todas. Se produce entre todos los cuerpos. Es siempre atractiva

y de largo alcance. Es responsable del movimiento de los astros, de que los cuerpos caigan, de

las mareas, etc.


21

APLICACIONES DE LA FSICA: TECNOLOGA Y SOCIEDAD

La fsica, tanto como disciplina cientfica bsica como por sus aplicaciones, es el paradigma de lo

que hoy llamamos ciencia y uno de los pilares de la tecnologa. Sus aportaciones han

revolucionado nuestra comprensin de la realidad y nuestro modo de vida. A modo de ejemplos,

mencionamos a continuacin una lista no exhaustiva de aplicaciones de gran repercusin sobre la

sociedad:

La mecnica nos ensea cmo se mueven los cuerpos y dicta las leyes de la aeronutica y de la

esttica que permiten disear naves y construcciones. Tambin explica cmo se comporta el

sonido, lo que ha llevado a avances tcnicos como el snar y la ecografa. Gracias a la

termodinmica, que trata con la energa y el calor, sabemos por ejemplo hacer frigorficos y

motores de combustin.

El electromagnetismo establece los fundamentos de los motores elctricos y de los generadores

de electricidad. Esta rama de la fsica es tambin fundamental para la exploracin y desarrollo de

fuentes renovables de produccin de energa elctrica. Por otra parte, el conocimiento de las

ondas electromagnticas ha permitido un desarrollo vertiginoso de las telecomunicaciones.

La ptica nos permite manipular la luz y construir instrumentos pticos, por ejemplo: dispositivos

para diagnosticar y tratar problemas de visin, sistemas de registro y visualizacin de imgenes

como cmaras y pantallas, aparatos de uso en medicina como endoscopios y sistemas de ciruga

lser, etc. Adems, el lser forma parte ya de nuestra vida cotidiana al estar presente en los

sistemas de reproduccin de CD y DVD.

La teora de la relatividad establece la equivalencia entre masa y energa, que llev tristemente a

la bomba atmica pero tambin a la energa nuclear necesaria hoy da para buena parte del

suministro elctrico. La fsica cuntica ofrece, junto a la ptica, el fundamento para el lser y las

clulas fotoelctricas. La fsica de la materia condensada estudia nuevos materiales con

propiedades increbles y est detrs del desarrollo de la nanotecnologa con aplicaciones, por

ejemplo, en la industria y en informtica.

Por su parte, la fsica de partculas y la astrofsica han cambiado nuestra visin de la

naturaleza, desde la descripcin de la composicin de la materia a una escala pequesima hasta

las teoras sobre el origen del universo. Tambin se han derivado aplicaciones de gran utilidad

para la sociedad como el uso mdico de la radioactividad.

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