Javier Álvarez Flores Profesor

Presentación del tema: "Javier Álvarez Flores Profesor"— Transcripción de la presentación:

1 Javier Álvarez Flores Profesor
Clase 1: Introducción

2 Resultados de Aprendizaje
Programa asignatura Resultados de Aprendizaje Contenidos RA 1: Identifica los conceptos fundamentales de física y vectores, para resolver una situación problema en el contexto de la construcción, considerando sustentabilidad, seguridad y el buen funcionamiento de la obra. Conceptos fundamentales Magnitudes físicas fundamentales y derivadas Transformaciones de Unidades Vectores. RA 2: Aplica conceptos de dinámica y estática, de las partículas y fluidos, para resolver problemas asociados a la construcción. Dinámica de la partícula. Estática Estática de los fluidos Dinámica de los fluidos RA 3: Participar activamente con argumentos y escucha atenta en diferentes ámbitos académicos con ajuste al español formal. Situaciones discursivas y formatos textuales básicos: informar, narrar y argumentar.

3 What is Physics?

4 Física ¿Donde empezó todo?

5 Observando el cielo nocturno, la naturaleza y el mundo que nos rodea…

6 Aristóteles A partir de la observación de fenómenos naturales, en Grecia comenzaron a pensar de forma abstracta, no disponían de la tecnología para comprobar sus postulados. Desde Aristóteles en el 350 AC y hasta hace 500 años se creía que la Tierra era plana y que estaba en el centro del universo, hace 70 años no se conocía la televisión, los aviones jet ni la forma de prevenir las picaduras dentales, en se clonó al primer mamífero, y entre 1996 y el 2003 se descifró el código del genoma humano. La ciencia no es nueva, data de la prehistoria. El ser humano ha estado sobre la Tierra desde hace 100 mil años y desde entonces ha empezado a hacer ciencia. Por ejemplo en el comienzo se descubrieron las primeras regularidades y relaciones en la naturaleza. Una de las regularidades era la forma de los patrones de las estrellas que aparecían en el cielo nocturno. Otra evidente era el ciclo del clima a lo largo del año, distinguiéndose claramente el comienzo de la temporada de lluvias o la de calor. La gente aprendió a usar estos ciclos para hacer predicciones y surgieron los primeros pronósticos del tiempo. De este modo fueron aprendiendo más y más acerca del comportamiento de la naturaleza. Todos estos conocimientos forman parte de la ciencia, pero la parte principal esta formada por los métodos que se usan para adquirir esos conocimientos.

7 La ciencia es una actividad humana, formada por un conjunto de conocimientos. La ciencia es el equivalente contemporáneo de lo que se llamaba filosofía natural. La filosofía natural era el estudio de las preguntas acerca de la naturaleza que aún no tenían respuesta. A medida que se iban encontrando esas respuestas, pasaban a formar parte de lo que hoy llamamos ciencia. La ciencia hizo sus mayores progresos en el siglo XVI, cuando se descubrió que era posible describir la naturaleza por medio de las matemáticas. Cuando se expresan las ideas de la ciencia en términos matemáticos no hay ambigüedad, es mas fácil verificarlos o refutarlos por medio del experimento. La ciencia contemporánea se divide en el estudio de los seres vivos y en el estudio de los objetos sin vida, es decir, en ciencias de la vida y en ciencias físicas. Las ciencias de la vida se dividen en áreas como la biología, zoología y la botánica. Las ciencias físicas se dividen en áreas como la física, geología, astronomía y química.

8 Ciencias Físicas Estudia la naturaleza de realidades básicas como el movimiento, las fuerzas, energía, materia, calor, sonido, luz y el interior de los átomos. La química estudia la manera en que esta integrada la materia, la manera en que los átomos se combinan para formar moléculas y la manera en que las moléculas se combinan para formar los diversos tipos de materia que nos rodea. La biología es aún mas compleja, pues trata de la materia viva. Así, tras la biología esta la química y tras la química esta la física. Las ideas de la física se extienden a estas ciencias mas complicadas, por eso la física es la mas fundamental de las ciencias. Podemos entender mejor la ciencia en general si antes entendemos algo de física

9 Para entender la física…
Se hace una descripción de los sistemas de unidades de medida, de las magnitudes físicas fundamentales y derivadas, se definen los múltiplos, submúltiplos y los prefijos. Se hace notar la necesidad de expresar los valores numéricos de las magnitudes en ciencias en notación científica, se explica como expresar los valores numéricos dando sólo su orden de magnitud o haciendo una estimación de su valor. Se dan reglas de análisis dimensional, lo que proporciona un método para determinar la forma funcional de las leyes físicas y permite verificar si está bien planteada. Se definen los sistemas de referencias y de coordenadas y finalmente se hace un breve repaso del álgebra vectorial y se presentan algunos ejemplos básicos.

10 Definiciones: Física: Es una ciencia fundamental que estudia y describe el comportamiento de los fenómenos naturales que ocurren en nuestro universo. Es una ciencia basada en observaciones experimentales y en mediciones. Su objetivo es desarrollar teorías físicas basadas en leyes fundamentales, que permitan describir el mayor número posible de fenómenos naturales con el menor número posible de leyes físicas. Estas leyes físicas se expresan en lenguaje matemático, por lo que para entender sin inconvenientes el tratamiento del formalismo teórico de los fenómenos físicos se debe tener una apropiada formación en matemáticas.

11 Es lo mismo una teoría que una ley?
Teoría científica: Síntesis de una gran cantidad de información que abarca diversas hipótesis probadas y verificables de ciertos aspectos del mundo natural. Ningún experimento resulta aceptable a menos que sea reproducible, es decir que produzca un resultado idéntico independientemente de cuando, donde y por quien sea realizado. Los resultados de los distintos experimentos se reúnen para formar una teoría. Una teoría es la síntesis de todas las observaciones realizadas en los experimentos, que debería hacer posible predecir el resultado de nuevos experimentos antes de que se realicen. Pero no se debe esperar que una teoría explique ciertos fenómenos de una vez por todas, sino mas bien los coordine dentro de un conjunto sistemático de conocimientos. La validez de una teoría puede probarse únicamente con el experimento. Ley: Comprobación de una hipótesis sin ninguna contradicción. Una ley física se considera como tal cuando todos los experimentos obedecen esa ley, si en algún caso no se cumple, deja de ser ley física. ¿Son las leyes terrestres válidas en todo el Universo? Hay que usarlas y después evaluar su resultado. No se debe pretender buscar una nueva ley para explicar algún fenómeno en el cual las leyes ya existentes no parecen encajar satisfactoriamente, porque esto conduce al caos lógico. Aunque se debe estar dispuesto a aceptar nuevas leyes naturales si su adopción demuestra ser necesaria.

12 Una teoría científica no debe contener elemento alguno metafísico o mitológico, se deben eliminar los mitos y prejuicios. Hoy en día se debe tener especial cuidado, puesto que nuestros mitos contemporáneos (fake news) gustan de ataviarse con ropajes científicos, pretendiendo con ello alcanzar gran respetabilidad. Los charlatanes siempre buscan mencionar el nombre de algún gran científico en un intento por hacer creíbles sus charlatanerías.

13 Método científico El método científico es un método efectivo para adquirir, organizar y aplicar nuevos conocimientos. Su principal fundador fue Galileo ( ). Se basa en la formulación de hipótesis y en la recopilación de pruebas objetivas que traten de probar la veracidad de tales hipótesis establecidas previamente. El método científico puede dividirse a grandes rasgos en varios pasos: Observar el medio natural. Hacerse una pregunta sobre el comportamiento del medio. Formular una hipótesis y derivar de ella predicciones que puedan ser demostradas. Planear un experimento que pueda verificar esa hipótesis. Analizar los datos obtenidos de ese experimento. Si los datos coinciden con las derivaciones de la hipótesis, se podrá decir que ésta funciona y es válida en ese contexto. A partir de esa hipótesis demostrada, elaborar una Teoría. Nuevamente acudir a la Naturaleza para contrastarla. Si la Teoría se cumple y demuestra, a partir de ella se formulará una Ley, que tratará de describir el fenómeno.

14 Sistema internacional
Las leyes Físicas se expresan en términos de cantidades básicas que requieren una definición clara, llamadas magnitudes físicas fundamentales. En mecánica las magnitudes físicas fundamentales son tres: longitud, tiempo y masa. Se llaman magnitudes físicas fundamentales porque están definidas en forma independiente de cualquier otra magnitud física. Una medición se expresa con un número seguida de un símbolo de la unidad usada. Existen medidas directas e indirectas, por ejemplo el largo y el ancho de una sala son medidas directas, pero la superficie de la sala es una medida indirecta. Gran parte de la Física tiene que ver con la medida de cantidades físicas tales como distancia, tiempo, volumen, masa, temperatura, etc.

15 Sistema internacional (1960)
Para que sean útiles deben ser invariables y reproducibles y se debe definir una unidad de medida única para la magnitud física, llamada patrón de medida. El Sistema Internacional (SI) de unidades determina el conjunto de patrones de medida. En este sistema, las unidades de medida de las magnitudes físicas son Longitud, Masa y Tiempo. Este se conoce también como el sistema MKS (abreviaturas de metro, kilogramo y segundo). También existe el sistema CGS cuyas unidades de medida son el centímetro, gramo y segundo, y el sistema inglés de ingeniería

16 Estándares: Longitud En 1799 el estándar legal de longitud en Francia se convirtió en el metro, definido como un diezmillonésimo de la distancia del Ecuador al Polo Norte. Hasta 1960 la longitud oficial del metro era la distancia entre dos líneas en una barra específica de aleación de platino-iridio, almacenada en condiciones controladas. Este estándar se abandonó por varias razones, la principal de ellas fue que las mediciones de la separación entre las líneas no era suficientemente precisa. En 1960 el metro se definió como longitudes de onda de luz naranja-roja emitida por una lámpara de kriptón-86. En octubre de 1983 esta definición también se abandonó y el metro se redefinió como la distancia recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo de 1/ segundos. Esta última definición establece la velocidad de la luz en metros por segundo.

17 Masa La unidad SI de la masa, el kilogramo, se define como la masa de un cilindro específico de aleación de platino-iridio que se resguarda en el International Bureau of Weights and Measures en Sèvres, Francia. Como se verá más adelante, la masa es una unidad que se usa para medir la resistencia a un cambio en el movimiento de un objeto. Es más difícil ocasionar dicho cambio con un objeto que tenga una masa grande que con uno que tenga una masa pequeña.

18 TIEMPO Antes de 1960 el estándar del tiempo se definía en términos de la longitud promedio de un día solar en el año (Un día solar es el tiempo entre las apariciones sucesivas del Sol en el punto más alto que alcanza en el cielo cada día.) La unidad básica del tiempo, el segundo, se definió como (1/60)(1/60)(1/24) = 1/ del día solar promedio. En 1967 el segundo se redefinió para aprovechar la alta precisión obtenible con un reloj atómico, el cual utiliza la frecuencia característica de la luz emitida del átomo de cesio-133 como su “reloj de referencia”. En la actualidad el segundo se define como veces el periodo de oscilación de la radiación del átomo de cesio. En la figura 1.1b se muestra el reloj atómico de cesio más reciente.

19 prefijos Potencia Prefijo Abreviatura 10-18 Ato a 10-15 Femto f 10-12
Pico p 10-9 Nano n 10-6 Micro 10-3 Mili m 10-2 Centi c 10-1 Deci d 101 Deca da 103 Kilo k 106 Mega M 109 Giga G 1012 Tera T 1015 Peta P 1018 Exa E prefijos En la tabla se listan algunos prefijos que más se usan en unidades “métricas” (SI y cgs) que representan potencias de 10 y sus abreviaturas. Por ejemplo, 1023 m es equivalente a un milímetro (mm) y 103 m es un kilómetro (km). De igual forma, 1 kg es igual a 103 gramos y 1 megavolt (MV) es 106 volts (V). Es buena idea memorizar desde ahora los prefijos más comunes: la mayoría de los físicos usan femto- a centí- y kilo- a giga- de manera rutinaria.

20 Entonces… la física En el s. XIX aparecía dividida en ramas independientes relacionadas con la forma de obtener la información del mundo: Óptica: Relacionada con la luz y sentido de la vista. Acústica: Relacionada con sonido y sentido del oído. Termodinámica: Relacionada con calor-frío y sentido del tacto. Mecánica: Relacionada con el movimiento. Electromagnetismo: Última en desarrollarse. No relacionada con los sentidos.

21 Los bloques fundamentales de la materia
1 cubo de 1 kg (< 2 lb) de oro sólido tiene una longitud de aproximadamente 3.73 cm (< 1.5 pulg) por lado. Si el cubo se corta a la mitad, las dos partes resultantes conservan su identidad química. Pero ¿qué pasa si las dos piezas se cortan una y otra vez indefinidamente? Los filósofos griegos Leucipo y Demócrito no pudieron aceptar la idea de que la serie de cortes podría continuar para siempre. Especularon que el proceso terminaría cuando se produjera una partícula que ya no fuera posible cortar. En griego, átomos significa “que no se puede cortar”. De este término proviene la palabra átomo, que se creía era la partícula más pequeña de la materia, pero desde entonces se ha determinado que es un compuesto de más partículas elementales.

22 Historia del átomo SOMMERFELD Y ZEEMAN THOMSON (1904) DALTON (1808)
ORBITA ELIPTICAS DALTON (1808) THOMSON (1904) CARGAS POSITIVAS Y NEGATIVAS RUTHERFORD (1808) NUCLEO PEQUEÑO CON CARGAS NEG, DESCRIBIENDO DIF. TRAYECT. + + + BOHR (1913) SIST. SOLAR EN MINIATURA + HEISENBERG Y SCHRODINGER(1925) NUBES ELECTRONICAS

23 J.J. THOMSON Los electrones (partículas subatómicas) son partículas más pequeñas que el átomo. Los átomos son divisibles, ya que los electrones son partículas que forman parte de los átomos. Hay partículas con carga negativa llamadas electrones. La materia debe ser eléctricamente neutra, propio modelo Masa fluida de baja densidad con carga positiva, en la que se hallaban incrustados los electrones RAYOS CATODICOS

24 RUTHERFORD La mayor parte de la masa y toda la carga positiva del átomo: núcleo Fuera del núcleo debe haber un no. de electrones igual al no. de unidades de carga nuclear. Núcleo Una partícula cargada y acelerada

25 BORH Un modelo acertado no solo debía explicar la evidente estabilidad de los átomos, también debía poder describir como emitían luz los átomos. Determino que las propiedades químicas vendrían fuertemente determinadas por la organización de los electrones en las orbitas.

26 Tabla 2. Orientación en el espacio de Zeeman
SOMMERFELD Y ZEEMAN Con átomos polielectronicos El modelo de Bohr no resultaba. Tabla 2. Orientación en el espacio de Zeeman Tabla 1. orbitas elípticas de Sommerfeld NIVEL Valor n Valores de l Tipo de orbita SUBNIVELES Nombre 1 Circular 1s 2 2s Elíptica 2p 3 3s 3p 3d 4 4s 4p 4d 4f

27 Electrón MODELO DE HEISENBERG Y SCHRÖDINGER Broglie Partícula Onda
Nube de electrones

28 Peso de protones +neutrones +electrones = peso atómico
No. protones = no. atómico. No. Protones= no. electrones La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón. En condiciones normales La identidad de un átomo y sus propiedades químicas

29 Esto no termina aquí… la sólida evidencia reunida durante muchos años indica que los protones, los neutrones y una gran variedad de otras partículas exóticas se componen de seis partículas denominadas quarks. A estas partículas se les ha dado el nombre de arriba, abajo, extraño, encanto, fondo y cima. En lo que se refiere a los quarks arriba, encanto y cima, cada uno porta una corriente igual a +2/3 de la del protón, en tanto que los quarks abajo, extraño y fondo, portan cada uno una carga igual a +1/3 de la carga del protón. El protón consiste en dos quarks arriba y un quark abajo, lo que da la carga correcta para el protón +1. El neutrón se compone de dos quarks abajo y un quark arriba, y tiene una carga neta de cero. Los quarks arriba y fondo son suficientes para describir toda la materia normal, por lo que la existencia de los otros cuatro quarks, que se han observado de forma indirecta en los experimentos de alta energía, es un misterio. A pesar de la fuerte evidencia indirecta, nunca se ha observado un quark aislado. En consecuencia la existencia de todavía más partículas elementales permanece puramente especulativa.

30 Vamos a las transformaciones
Ejemplo: transformar 18km/h a m/s

31 Dimensiones En física la palabra dimensión denota la naturaleza de una cantidad. La distancia entre dos puntos, por ejemplo, se puede medir en pies, metros o estadios, los cuales son formas diferentes para expresar la dimensión de longitud. En física a menudo es necesario usar expresiones matemáticas que relacionan cantidades físicas diferentes. Una forma de analizar esas expresiones, llamada análisis dimensional, parte del hecho de que las dimensiones se pueden tratar como cantidades algebraicas. Sumar masas a longitudes, por ejemplo, no tiene sentido; de ello se deduce que las cantidades se pueden sumar o restar solo si tienen las mismas dimensiones. Si los términos en los lados opuestos de una ecuación tienen las mismas dimensiones, entonces esa ecuación puede ser correcta, aunque no es posible garantizar la integridad solo con base en las dimensiones. No obstante, el análisis dimensional tiene valor como una verificación parcial de una ecuación y también se puede utilizar para desarrollar una visión en las relaciones entre cantidades físicas.

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