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
Máster universitario del profesorado
Didáctica de la Física y la Química
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 Exposición sobre los orígenes del 1ª Sesión: Actividad inicial
cálculo de la velocidad de la luz – 25’ Videos documentales – 25’
Insuficiencia de la física clásica – 5’ 2ª Sesión: Origen y
Teoría de la relatividad especial – 30’
relatividad
Applet relatividad especial – 5’ Equivalencia entre masa y energía – 10’ Conclusiones de la relatividad y
3ª Sesión: Ejercicios
ejercicios - 45´
relatividad
Petición de mapa conceptual en grupos – 5’ Teoría cuántica de Planck – 30´
4ª Sesión: Teoría cuántica
Efecto fotoeléctrico - 15´ Applet del efecto fotoeléctrico – 5´
5ª Sesión: Espectros discontinuos
6ª Sesión: Hipótesis de De Broglie y principio de incertidumbre 7ª Sesión: Ejercicios de De Broglie y principio de incertidumbre
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Espectros discontinuos – 40´ Animación sobre espectros discontinuos – 10’
Hipótesis de De Broglie - 25´ Principio de incertidumbre – 25’
Ejercicios de De Broglie y principio de incertidumbre - 50´
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8ª Sesión: Laboratorio 1
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Práctica de laboratorio 1 - 50´
Video radioactividad – 15’ 9ª Sesión: Radioactividad
Radioactividad y ley de desintegración radioactiva – 35´
10ª Sesión: Ejercicios
Applet radioactividad – 10´
radioactividad
Ejercicios radioactividad – 40´
11ª Sesión: Partículas y
Partículas elementales y núcleo atómico
núcleo atómico
– 50´
12ª Sesión: Fuerzas
Fuerzas nucleares y energía de enlace -
nucleares
50´
13ª Sesión: Ejercicios de fuerzas nucleares
14ª Sesión: Fisión y fusión nuclear
Ejercicios de fuerzas nucleares – 50´
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
Presentación del mapa conceptual en
mapa conceptual en grupos
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. Unidad didáctica: Física Moderna
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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 Unidad didáctica: Javier Begiristain Física Moderna Página 13 de 27 Guillermo Ferreiro
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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 1034 J s). Einstein explicó que si
la
frecuencia f es
frecuencia umbral, la energía de los fotones
superior a la
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. Unidad didáctica: Física Moderna
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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.
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Mapa conceptual
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E = m ⋅ c2
E = h⋅ f
ET = cte ⋅ T 4
a
λ max ⋅ T = cte
Efoton= h⋅ f
1
1 1 = R⋅ ( 2 − 2 ) λ 2 n
λ=
h m⋅v
∆x ⋅ ∆p ≥
h 2π
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N = NO ⋅e−λt
E = ∆m ⋅ c2
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11.
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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/flasheducativos/nuclear.swf
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12.
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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) Unidad didáctica: Física Moderna
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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) 1,55 1,66 1,79 1,86 1,91 1,98 2,06 2,15 2,24 2,32 2,41 2,52 2,67 2,75 2,93 3,03 3,16 3,29 3,38 3,47 Unidad didáctica: Física Moderna
Intensidad (mA) 0,001 0,12 0,212 1,29 2,9 7,6 11,4 18,2 24,3 30,4 38 45,9 58,3 64,2 78,5 86 95,3 104,5 109,9 116,3
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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) α ? β− ? U → ?Th → ? Pa
238 92
10- Explica la fusión y la fisión nuclear. (0.5 puntos)
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