FÍSICA - 2º de BACHILLERATO
Unidad Didáctica:
FÍSICA MODERNA
Asignatura: Didáctica de la Física y la Química
MASTER EN PROFESORADO DE SECUNDARIA UAX 2010-2011
Alumnos: Javier Begiristain y Guillermo Ferreiro
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Índice
1. Prerrequisitos y actividades de motivación ........ 3
2. Objetivos didácticos .......................................... 4
3. Contenidos ....................................................... 5
4. Metodología ...................................................... 6
5. Temporalización ............................................... 7
6. Criterios de evaluación ................................... 10
7. Criterios de calificación ................................... 11
8. Actividad inicial .............................................. 12
9. Actividades de laboratorio ............................... 15
10. Mapa conceptual ............................................ 20
11. Recursos didácticos ........................................ 23
12. Control de la unidad didáctica ........................ 24
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1. Prerrequisitos y actividades de motivación
• Conocer los fundamentos básicos de la cinemática.
• Conocer el principio de conservación de la energía.
• Conocer la estructura de la materia y los modelos atómicos.
• Conocer la naturaleza de la luz.
• Mostrar un video documental introductorio de la materia.
• Realizar experimentos en el laboratorio sobre la unidad didáctica.
• Utilizar applets explicativos de los contenidos.
• Utilizar animaciones sobre los contenidos de la materia.
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2. Objetivos didácticos
• Comprender la insuficiencia de la física clásica para explicar
ciertos fenómenos físicos.
• Conocer el origen de la física moderna y quienes fueron sus
artífices.
• Conocer la teoría de la relatividad especial y sus consecuencias.
• Conocer la equivalencia entre masa y energía.
• Comprender la teoría cuántica de Planck, la radiación térmica y el
efecto fotoeléctrico de Einstein.
• Comprender la hipótesis de De Broglie y el principio de
incertidumbre de Heisemberg.
• Comprender los fundamentos de la radioactividad.
• Conocer las partículas elementales de los átomos.
• Conocer las repercusiones energéticas de la energía de enlace de
los nucleones
• Conocer los fundamentos básicos de la fisión y fusión nuclear.
• Comprender las repercusiones del desarrollo de la física moderna.
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3. Contenidos
• Insuficiencia de la Física Clásica.
• Postulados de la teoría de la relatividad especial y sus
consecuencias.
• Equivalencia entre masa y energía.
• Teoría cuántica de Planck y la radiación térmica.
• Efecto fotoeléctrico.
• Espectros discontinuos atómicos.
• Hipótesis de De Broglie. Dualidad onda-corpúsculo.
• Principio de incertidumbre de Heisenberg.
• Radiactividad natural y artificial.
• Partículas elementales.
• Ley de desintegración radiactiva.
• El núcleo atómico y las fuerzas nucleares.
• Energía de enlace por nucleón.
• Tipos de desintegración radiactiva.
• Fisión y fusión nuclear.
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4. Metodología
• Exposición de contenidos por parte del profesor.
• Resolución de ejercicios de forma individual y en la pizarra.
• Elaborar conclusiones a partir de los experimentos de laboratorio.
• Exposición en grupo del mapa conceptual de la unidad.
• Utilización de applets para realizar la simulación de
experimentos.
• Utilizar animaciones explicativas.
• Debatir sobre la unidad didáctica.
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5. Temporalización
1ª Sesión: Actividad inicial
Exposición sobre los orígenes del
cálculo de la velocidad de la luz – 25’
Videos documentales – 25’
2ª Sesión: Origen y
relatividad
Insuficiencia de la física clásica – 5’
Teoría de la relatividad especial – 30’
Applet relatividad especial – 5’
Equivalencia entre masa y energía – 10’
3ª Sesión: Ejercicios
relatividad
Conclusiones de la relatividad y
ejercicios - 45´
Petición de mapa conceptual en grupos
– 5’
4ª Sesión: Teoría cuántica
Teoría cuántica de Planck – 30´
Efecto fotoeléctrico - 15´
Applet del efecto fotoeléctrico – 5´
5ª Sesión: Espectros
discontinuos
Espectros discontinuos – 40´
Animación sobre espectros
discontinuos – 10’
6ª Sesión: Hipótesis de De
Broglie y principio de
incertidumbre
Hipótesis de De Broglie - 25´
Principio de incertidumbre – 25’
7ª Sesión: Ejercicios de De
Broglie y principio de
incertidumbre
Ejercicios de De Broglie y principio de
incertidumbre - 50´
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8ª Sesión: Laboratorio 1 Práctica de laboratorio 1 - 50´
9ª Sesión: Radioactividad
Video radioactividad – 15’
Radioactividad y ley de desintegración
radioactiva – 35´
10ª Sesión: Ejercicios
radioactividad
Applet radioactividad – 10´
Ejercicios radioactividad – 40´
11ª Sesión: Partículas y
núcleo atómico
Partículas elementales y núcleo atómico
– 50´
12ª Sesión: Fuerzas
nucleares
Fuerzas nucleares y energía de enlace -
50´
13ª Sesión: Ejercicios de
fuerzas nucleares Ejercicios de fuerzas nucleares – 50´
14ª Sesión: Fisión y fusión
nuclear
Fisión y fusión nuclear – 40’
Video documental de la central nuclear
– 10’
15ª Sesión: Laboratorio 2 Práctica de laboratorio 2 – 50´
16ª Sesión: Presentación del
mapa conceptual en grupos
Presentación del mapa conceptual en
grupos – 50´
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17ª Sesión: Repaso Repaso unidad didáctica – 50´
18ª Sesión: Examen Examen unidad didáctica – 50´
19ª Sesión: Debate Debate unidad didáctica – 50´
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6. Criterios de evaluación
• Explicar la insuficiencia de la física clásica y el origen de la física
moderna.
• Explicar y aplicar a la resolución de ejercicios la teoría de la
relatividad especial y la equivalencia entre masa y energía.
• Explicar la teoría cuántica de Planck, la radiación térmica y el
efecto fotoeléctrico de Einstein.
• Aplicar a la resolución de ejercicios la teoría cuántica de Planck y
el efecto fotoeléctrico de Einstein.
• Explicar y aplicar a la resolución de ejercicios la hipótesis de De
Broglie.
• Explicar y aplicar a la resolución de ejercicios el principio de
incertidumbre de Heisemberg.
• Explicar los fundamentos de la radioactividad y aplicarlos a la
resolución de ejercicios.
• Explicar cuáles son las partículas elementales de los átomos.
• Explicar las repercusiones energéticas de la energía de enlace de
los nucleones y aplicarlo a la resolución de ejercicios.
• Explicar los fundamentos básicos de la fisión y fusión nuclear.
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7. Criterios de calificación
A) Examen de la Unidad Didáctica.
B) Prácticas de laboratorio.
A B
90% 10%
La actividad de exposición subirá un máximo de un punto sobre la nota
final.
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8. Actividad inicial
La actividad inicial consiste en explicar a los alumnos la historia de
cómo se calculó la velocidad de la luz y como se comprobó que su
velocidad es constante e independiente del sistema de referencia
inercial. Todavía a día de hoy se sigue calculando la velocidad de la luz
cada vez con mayor precisión.
A continuación se detalla la secuencia cronológica del cálculo de la
velocidad de la luz:
Galileo (1564-1642) dudó que la velocidad de la luz fuera infinita y
describió un experimento. Dos personas toman una lámpara con rejillas
y se colocan en la cima de dos montañas diferentes. Una abría la rejilla
de su lámpara y la otra debía abrir la suya tan pronto como viera la luz
de la lámpara del primero. La velocidad de la luz es tan elevada que es
imposible detectarla mediante un experimento de este tipo. Galileo
concluyo que la velocidad de la luz era elevadísima pero no
necesariamente infinita.
Ole Roemer (1644-1710), fue el primero en medir la velocidad de la luz
en 1676. Detectó que el tiempo entre los eclipses del satélite Io de
Júpiter era menor cuando la distancia a la Tierra decrecía, y viceversa.
El satélite queda oculto por la sombra que proyecta el planeta Júpiter, y
se puede detectar fácilmente el momento en el que el satélite aparece de
nuevo tras desaparecer brevemente de la vista del observador terrestre.
Obtuvo un valor de 214000 km/s, aceptable dada la poca precisión con
la que se podía medir en aquella época la distancia de los planetas.
Armand Fizeau (1818-1868) en 1849 usó un haz de luz reflejado en un
espejo a 8 Km de distancia. El haz pasa a través de una rueda dentada
cuya velocidad se incrementa hasta que el haz de retorno pasa por el
hueco siguiente. El valor obtenido fue de 315000 Km/s. Usando el
mismo procedimiento Leon Foucault en 1850, obtuvo un valor de
298.000 Km/s.
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En 1926, Michelson utilizó espejos rotatorios para medir el tiempo que
tardaba la luz en hacer un viaje de ida y vuelta entre la montaña Wilson
y la montaña San Antonio en California. Las medidas exactas rindieron
una rapidez de 299.796 km/s.
A partir de 1970 con el desarrollo de aparatos de láser con una
estabilidad espectral muy grande y relojes de cesio exactos, ha sido
posible mejorar las medidas, llegando a ser conocida con una precisión
inferior a 1m/s.
A continuación se detalla como Michelson-Morley comprobaron
experimentalmente que la velocidad de la luz es independiente del
sistema de referencia inercial:
El experimento de Michelson y Morley fue uno de los más importantes y
famosos de la historia de la física. Realizado en 1887 por Albert
Abraham Michelson y Edward Morley, está considerado como la primera
prueba contra la teoría del éter. El resultado del experimento
constituiría posteriormente la base experimental de la teoría de la
relatividad especial de Einstein.
El propósito de Michelson y Morley era medir la velocidad relativa a la
que se mueve la Tierra con respecto al éter.
El efecto del viento del éter sobre las ondas de luz, sería como el de la
corriente de un río sobre un nadador que se mueve a favor o en contra
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de ella. En algunos momentos el nadador sería frenado, y en otros
impulsado. Esto es lo que se creía que pasaría con la luz al llegar a la
Tierra con diferentes posiciones con respecto al éter: debería llegar con
diferentes velocidades. La clave es que, en viajes circulares, la diferencia
de velocidades es muy pequeña, del orden de la millonésima de la
millonésima de un segundo. Sin embargo, Michelson, muy
experimentado con la medición de la velocidad de la luz, ideó una
manera de medir esta mínima diferencia.
Michelson y Morley construyeron lo que se conoce como el
interferómetro de Michelson. Se compone de una lente semiplateada o
semiespejo, que divide la luz monocromática en dos haces de luz que
viajan en un determinado ángulo el uno respecto al otro.
Con esto se lograba enviar simultáneamente dos rayos de luz
procedentes de la misma fuente en direcciones perpendiculares,
hacerles recorrer distancias iguales o caminos ópticos iguales y
recogerlos en un punto común, en donde se crea un patrón de
interferencia que depende de la velocidad de la luz en los dos brazos del
interferómetro. Cualquier diferencia en esta velocidad provocada por la
diferente dirección de movimiento de la luz con respecto al movimiento
del éter sería detectada, sin embargo no fue detectada. De este
experimento se deduce que la velocidad de la luz es constante e
independiente del sistema de referencia inercial.
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9. Actividades de laboratorio
Práctica de laboratorio 1: EFECTO FOTOELÉCTRICO.
Objetivo: Observar el efecto fotoeléctrico.
Material:
• Electroscopio.
• Barra de polietileno.
• Paño de lana.
• Placa de zinc.
• Placa de cobre.
• Papel de lija fina.
• Lámpara de luz ultravioleta.
• Linterna.
Teoría:
La energía de un fotón de luz es E=h�f (h=constante de Planck=6,63�10-
34 J�s). Einstein explicó que si la frecuencia f es superior a la
frecuencia umbral, la energía de los fotones que inciden sobre un
material cargado hace que los electrones libres salten del metal, y éste
se vaya descargando.
La frecuencia de la luz de la linterna es menor que la de la luz
ultravioleta larga y ésta menor que la de la luz ultravioleta corta. Por
tanto la energía de los fotones ultravioletas es mayor que la de la luz de
la linterna.
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Descripción:
Poner la placa de cobre en el electroscopio y cargarlo negativamente
frotando la barra de polietileno cargada sobre la parte superior de la
placa metálica.
Se ilumina con luz de la linterna, U.V. larga y la U.V. corta. ¿Se
descarga el electroscopio?
Quitar la placa de cobre y poner la de zinc previamente limpiada con
la lija fina. Repetir la iluminación con las distintas fuentes. ¿Qué
ocurre?
Repetir el paso 3 pero cargando el electroscopio positivamente. Para ello
se acercará la barra de polietileno cargada, sin tocar el metal. Descargar
éste momentáneamente con el dedo y después separar la barra de
polietileno. ¿Qué ocurre? ¿Cómo lo explicarías?
Este efecto se usa, por ejemplo, en las puertas de ascensores: si una
persona entra mientras se están cerrando, corta el rayo de luz que
activa una célula fotoeléctrica, y las puertas se vuelven a abrir.
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Práctica de laboratorio 2: CALCULAR LA CONSTANTE DE PLANCK
CON DIODOS LED.
Objetivo: Relacionar el efecto fotoeléctrico con los diodos LED y
determinar la constante de Planck.
Material:
• Diodos LED (amarillo, rojo, azul, cian-turquesa, verde).
• Polímetro.
• Fuente de alimentación de c.c.
Teoría:
Los diodos LED son dispositivos semiconductores emisores de una luz
casi monocromática puesto que las longitudes de onda que emiten se
acercan a un valor. Cuando las zonas P y N del LED se unen se emite
un fotón. El voltaje externo a aplicar a la unión P-N es llamado voltaje
de barrera, que es el voltaje mínimo o voltaje umbral para el que a
partir de él, pase la corriente. La luz que emiten los LED puede ser de
diversos colores, a consecuencia del material de los semiconductores,
los cuales hacen que las longitudes de onda sean diferentes.
La energía con la que se emite un fotón por un LED, viene dada por la
ecuación de Einstein-Planck. E=h�f (h=constante de Planck= 6,63�10-34
J�s.
Descripción:
Realizar un circuito por cada LED, y medir la intensidad que pasa por
cada LED en función del voltaje aplicado, 1,5 a 3,5 V, en intervalos de
0,05V, para así poder analizar la curva que se genera. La tangente a
dicha curva cortará al eje de abscisas en el punto donde el LED
comienza a no tener corriente nula es decir, con ello se obtendrá el
voltaje umbral del LED.
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La ecuación de la recta será: y=Ax-B.
Con la ecuación de la recta que nos da la gráfica podemos hallar el
voltaje umbral, que es donde corte con el eje x, es decir para I=0.
Una vez tenemos los voltajes umbrales de cada LED y sus longitudes de
onda, obtenidos de las hojas técnicas del fabricante, realizaremos un
cálculo estadístico para calcular la constante de Planck.
Recordando las siguientes equivalencias se calculará la “h”
correspondiente a cada LED.
E=q�Vumbral donde q es la carga del electrón (1,6.10-19 culombios)
f = c / λ (c = 3.10 8 m/s)
h = E /f
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De la práctica realizada en el colegio Retamar de Pozuelo de Alarcón, se
han obtenido los siguientes resultados:
LED λ (nm) V.umbral h
Rojo 645 1,745 6,0028 � 10 -34
Amarillo 585 1,886 5,8843 � 10 -34
Verde 565 1,91 5,7555 � 10 -34
Cian 501 2,85 7,6339 � 10 -34
Azul 430 3,32 7,6276 � 10 -34
h = Σ h / número de LED´s = 6,6249 � 10 -34 J�s
El resultado ha sido satisfactorio, puesto que la constante que sale es
muy parecida a la constante establecida por Planck:
h = 6,6260689633 � 10 -34 J�s
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10. Mapa conceptual
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cte
Ta
=⋅
ma
xλ
4T
cte
ET
⋅=
fh
E⋅
=f
hE
foto
n⋅
=
)1
21 (1
22
nR
−⋅
=λ
vm
h ⋅=
λπ
2hp
x≥
∆⋅∆
2 cm
E⋅
=
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tO
eN
Nλ−
⋅=
2 cm
E⋅
∆=
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11. Recursos didácticos
• Libro de texto de Física de 2º de Bachillerato.
• Laboratorio de Física.
• Videos documentales sobre física moderna:
http://www.acienciasgalilei.com/videos/particula-onda.htm#up
• Video documental sobre radioactividad:
http://www.youtube.com/watch?v=_OUT-O6zsyo
• Applet sobre la dilatación del tiempo:
http://www.walter-fendt.de/ph14s/timedilation_s.htm
• Applet sobre el efecto fotoeléctrico:
http://phet.colorado.edu/en/simulations/translated/es
• Applet sobre la ley de desintegración radioactiva:
http://www.walter-fendt.de/ph14s/lawdecay_s.htm
• Animación sobre los espectros discontinuos:
http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/fl
ash/linesp16.swf
• Animación sobre la energía nuclear:
http://www.iesmariazambrano.org/Departamentos/flash-
educativos/nuclear.swf
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12. Control de la unidad didáctica
Examen de la asignatura: Física (2º de Bachillerato).
Unidad didáctica: Física Moderna.
Alumno: Curso: Grupo:
1- Un avión vuela a 0,5c. Asumiendo que la Tierra fuera un sistema
inercial, indicar: (1 punto)
a) ¿En qué proporción se verá contraída la longitud del avión con
respecto a la Tierra?
b) ¿Durante un año medido en tierra (3.16x107 seg), qué intervalo de
tiempo marcará el reloj del avión?
2- Explica la radiación del cuerpo negro y la hipótesis de Planck. (0.5
puntos)
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3- a) Un átomo que absorbe un fotón se encuentra en un estado
excitado. Explique qué cambios han ocurrido en el átomo. ¿Es estable
ese estado excitado del átomo?
b) ¿Por qué en el espectro emitido por los átomos sólo aparecen ciertas
frecuencias? ¿Qué indica la energía de los fotones emitidos? (0.5
puntos)
4- Un metal, para el que la longitud de onda umbral de efecto
fotoeléctrico es λ0 = 275 nm, se ilumina con luz de λ = 180 nm. (1.5
puntos)
a) Explique el proceso en términos energéticos.
b) Calcule la longitud de onda, frecuencia y energía cinética de los
fotoelectrones.
c = 300.000 Km s-1; h = 6,62�10-34 J s; e = 1,6�10-19 C; me = 9,1�10-31
kg
5- Un protón se acelera desde el reposo mediante una diferencia de
potencial de 50 kV. (1.5 puntos)
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a) Haga un análisis energético del problema y calcule la longitud de
onda de De Broglie asociada a la partícula.
b) ¿Qué diferencia cabría esperar si en lugar de un protón la partícula
acelerada fuera un electrón? mp = 1,7�10-27 kg
6- Para el circuito de la figura constituido por una fuente de
alimentación regulable y un diodo led, se han obtenido las medidas de
la tabla. Sabiendo que el diodo emite una luz amarilla con una longitud
de onda de 585 nm, determinar la constante de Planck. (1.5 puntos)
Voltaje (V) Intensidad (mA)
1,55 0,001 1,66 0,12 1,79 0,212 1,86 1,29 1,91 2,9 1,98 7,6 2,06 11,4 2,15 18,2 2,24 24,3 2,32 30,4 2,41 38 2,52 45,9 2,67 58,3 2,75 64,2 2,93 78,5 3,03 86 3,16 95,3 3,29 104,5 3,38 109,9 3,47 116,3
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7- a) Explica el Principio de Incertidumbre de Heisenberg.
b) Estimar la incertidumbre en la velocidad del electrón del átomo de
hidrógeno suponiendo que podemos llegar a conocer su posición con
una indeterminación de 1 pm. (1 punto)
8- Una muestra radiactiva disminuye desde 1015 a 109 núcleos en 8
días. Calcula: (1.5 puntos)
a) La constante radiactiva y el periodo de semidesintegración.
b) La actividad de la muestra en becquerelios (Bq) una vez transcurridos
15 días desde que tenía 1015 núcleos.
9- Explica las leyes de los procesos radiactivos (Leyes de Soddy-Fajans).
Completa las siguientes ecuaciones de desintegración, indicando el
número másico y atómico de los núcleos “hijo” y “nieto”. (0.5 puntos)
PaThU ??
??
23892 →→ −βα
10- Explica la fusión y la fisión nuclear. (0.5 puntos)