Ampliación de Física

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1 Ampliación de Física Guía de Aprendizaje Información al estudiante 1. Datos Descriptivos Asignatura Ampliación de Física Materia M10 Materia optativa y de formación horizontal Departamento responsable Física Aplicada a las Tecnologías de la Información Créditos ECTS 4,5 Carácter Titulación Optativa Graduado en Ingeniería de Tecnologías y Servicios de Telecomunicación Curso 1º Especialidad N/A Curso académico Semestre en que se imparte Idioma en que se imparte Segundo Castellano Página Web

2 2. Profesorado NOMBRE Y APELLIDO DESPACHO Correo electrónico Pedro Sánchez Sánchez A-032 psanchez@fis.upm.es 3. Conocimientos previos requeridos para poder seguir con normalidad la asignatura Asignaturas superadas N/A Otros resultados de aprendizaje necesarios Conocimientos básicos sobre ondas y óptica impartidos en la asignatura de Física General II 4. Objetivos de Aprendizaje COMPETENCIAS ASIGNADAS A LA ASIGNATURA Y SU NIVEL DE ADQUISICIÓN Código Competencia Nivel CG1-13 Todas las asignaturas del Plan de Estudios contribuyen en mayor o menor medida a la consecución de las competencias generales del perfil de egreso. CEB3 Comprensión y dominio de los conceptos básicos sobre las leyes generales de la mecánica, termodinámica, campos y ondas y electromagnetismo y su aplicación para la resolución de problemas propios de la ingeniería. 2 LEYENDA: Nivel de adquisición 1: Básico Nivel de adquisición 2: Medio Nivel de adquisición 3: Avanzado

3 RESULTADOS DE APRENDIZAJE DE LA ASIGNATURA Código Resultado de aprendizaje Compete n-cias asociada s Nivel de adquisición RA1 RA2 RA3 RA4 RA5 RA6 Complementar la formación científica básica del ingeniero con temas de Física Moderna Conocer y valorar los cambios profundos que tuvieron lugar en la Física en el periodo (desde las ecuaciones de Maxwell hasta la publicación de la Mecánica Cuántica de Dirac) Aprender a valorar el avance científico y la concatenación entre teoría y experimento. En este apartado es importante destacar el trabajo hecho con anterioridad al nuevo avance, y que se resume en la frase de Newton Si vi más lejos es porque me alcé sobre hombros de gigantes Aprender cómo se puede llegar desde la idea física más abstracta (p.ej. la dualidad ondacorpúsculo) al desarrollo de la tecnología más avanzada y de enorme interés práctico (p.e. los microscopios electrónicos de barrido) Aprender a enfrentarse a un trabajo científico reciente, publicado en inglés, y sobre él preparar una monografía y una presentación oral en clase. Aprender a trabajar en grupo para la realización y exposición del trabajo encomendado CEB3 1 CEB3 2 CEB3 3 CEB3 3 CEB3 3 CEB3 3 LEYENDA: Nivel de adquisición 1: Conocimiento descriptivo Nivel de adquisición 2: Compresión/Aplicación Nivel de adquisición 3: Análisis/Síntesis/Implementación

4 5. Sistema de evaluación de la asignatura INDICADORES DE LOGRO Ref I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 Indicador Conocer las incoherencias de la Física Clásica, puestas de relieve al aplicar el principio de la relatividad a las ecuaciones de Maxwell o al experimento de Michelson-Morley. A partir de los postulados de Einstein, aprender la revisión relativista de los conceptos básicos de la Física, como el tiempo, el espacio, la velocidad, la masa, la energía. Conocer la corrección relativista al efecto Doppler, cuando se aplica a ondas electromagnéticas, y su aplicación al movimiento de las estrellas luminosas, o de vehículos. Deducir y aprender la importante relación entre masa y energía, a partir de los postulados de Einstein. Valorar la experiencia clásica de Anderson que permitió demostrar la existencia del positrón (antimateria), a partir de una partícula sin masa, como es el fotón. Conocer la expresión del campo eléctrico y del campo magnético creados por una carga en movimiento y aprender a utilizar la expresión conocida de la fuerza de Lorentz. Conocer la naturaleza de la luz y la evolución conceptual que ha tenido desde los tiempos clásicos hasta la concepción fotónica de Einstein. Aprender los fundamentos de los rayos X y de su importante aplicación en espectroscopía, a partir de la ley de Bragg. Conocer las dificultades de la Física Clásica para explicar la radiación del cuerpo negro y del efecto fotoeléctrico. Valorar la importante contribución de Planck y de Einstein para explicar ambos efectos, respectivamente, que dio lugar al nacimiento de la Física Cuántica. Por último, conocer la experiencia de Compton y la posterior explicación de Dirac, que combina la física cuántica con la relativista. Conocer la revolucionaria hipótesis de De Broglie de la dualidad onda-materia, posteriormente refrendada con la experiencia de la difracción de electrones y que, más tarde, permitiría llegar a una importante aplicación tecnológica como fue el desarrollo de los Microscopios Electrónicos de Barrido (SEM). Conocer las hipótesis introducidas por Heisenberg en su principio de incertidumbre, que obligan a una revisión conceptual de la relación entre el experimentador y la medida, de excepcional interés en el mundo subatómico. Relacionado con RA RA1, RA2, RA3 RA1 RA2, RA3 RA1 RA2, RA3 RA2, RA3 RA2, RA3, RA4, RA2

5 Ref I9 I10 I11 I12 INDICADORES DE LOGRO Indicador Conocer las bases de la Física Ondulatoria desarrollada por Schrodinger y la revisión probabilística introducida por Born, que han sido aplicados con éxito en numerosos casos de física atómica y molecular. Aprender a aplicar la ecuación de Schródinger en el caso de una partícula que debe pasar a través de una determinada barrera de potencial: en escalón, rectangular y no rectangular. Valorar las consecuencias que se deducen de ellas, en ocasiones imposibles de justificar por la Física Clásica Conocer el importante fenómeno del efecto túnel y aplicarlo a distintos casos: desintegración de un átomo de uranio, o bien la emisión de electrones por campo. Este último caso, permitirá el desarrollo de los Microscopios de Efecto Túnel (STM), de tanto interés actual. Por último, el alumno conocerá el funcionamiento de los Microscopios de Fuerzas Atómicas (AFM) y los de Fuerzas Magnéticas (MFM)l Conocer los extraños efectos predichos por Josephson, más tarde comprobados experimentalmente, que han permitido la detección de supercorrientes oscilatorias, o bien el desarrollo del SQUID, aparato clave en la investigación de campos magnéticos débiles, como p.ej. los creados por el cerebro. Como final de la asignatura, el alumno debe conocer la aplicación de la Física Ondulatoria al estudio del oscilador armónico, que permite llegar de nuevo a la ley de Planck, y que fue deducida en el apartado I6 de un modo totalmente distinto, a partir de la radiación del cuerpo negro. Relacionado con RA RA2 RA1 RA1, RA2, RA4 RA2, RA3, RA4

6 EVALUACION SUMATIVA Breve descripción de las actividades evaluables Momento Lugar Asistencia y participación en clase Semanas 1 a 16 Peso en la calif. Aula 15 Evaluación Tema 1 Semana 6 Aula 20 Evaluación Tema 2 Semana 16 Aula 35 Trabajo realizado sobre un tema científico publicado en inglés en una revista ti i Presentación oral del trabajo realizado Semanas 3 a 16 Semanas 9 a 16 Aula 15 Aula 15 Total: 100% CRITERIOS DE CALIFICACIÓN Los alumnos serán evaluados, por defecto, mediante evaluación continua. La calificación de la asignatura se realizará del siguiente modo: NOTA FINAL = 15 % Asistencia y participación en clase + 55 % Controles de conocimientos + 15 % Trabajo personal, o en grupo, sobre un tema de Física actual + 15% Presentación Oral del trabajo realizado. La asignatura consta de 2 partes bien diferenciadas: Física Relativista ; Física Cuántica y Ondulatoria Al final de cada parte se realizará un examen. La nota final se elaborará con las calificaciones obtenidas en dichas pruebas, con un peso específico del 55 % de la nota final (20 % la primera prueba y 35 % la segunda). El resto se distribuye del siguiente modo: 15 % por asistencia y participación en clase, 15 % de la monografía realizada sobre un tema asignado de un artículo reciente publicado en inglés en Physics Today, Nature, Science, Spectrum.. y el 15 % restante de la presentación oral del mismo, entregándose finalmente en formato Word la monografía y en formato Power Point la presentación oral. En cumplimiento de la Normativa de Evaluación de la Universidad Politécnica de Madrid, los alumnos que lo deseen serán evaluados mediante un único examen final siempre y cuando lo comuniquen al Director del Departamento de Física Aplicada a las Tecnologías de la Información mediante solicitud presentada en el registro de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación antes del día 15/03/2014. Esta opción supone la renuncia a la evaluación continua.

7 6. Contenidos y Actividades de Aprendizaje CONTENIDOS ESPECÍFICOS Bloque / Tema / Capítulo Apartado 1.1 Introducción histórica. Búsqueda de un sistema absoluto. El éter. Experimento de Michelson.-Morley. Principios de la relatividad de Einstein. Diagramas de Minkowski. Sincronización de relojes. Contracción de la longitud. Dilatación del tiempo. Desintegración de los muones. La paradoja de los gemelos Indicadores Relacionados I1 Tema 1: Introducción a la Relatividad 1.2 Efecto Doppler de ondas electromagnéticas. I2 1.3 Mecánica relativista. Transformación relativista de la velocidad. Masa relativista. Masa y energía. Partículas sin masa. Positrón. I3 1.4 Dinámica relativista. Aplicación al electromagnetismo. Campo eléctrico y magnético creado por cargas en movimiento I4 2.1 Naturaleza de la luz. Espectro electromagnético. Rayos X. Difracción de rayos X. Ley de Bragg I5 Tema 2: Física Cuántica y Ondulatoria 2.2 Radiación térmica. Radiación del cuerpo negro. Ley de Planck Efecto fotoelectrico. Contradicciones clásicas. Explicación de Einstein. Efecto Compton 2.3 Mecánica Ondulatoria. Hipótesis de De Broglie, Difracción de electrones, Microscopio electrónico de barrido (SEM). 2.4 Experimento de la doble rendija con electrones Principio de indeterminación de Heisenberg. I6 I7 I8

8 Bloque / Tema / Capítulo CONTENIDOS ESPECÍFICOS Apartado Indicadores Relacionados 2.5 Ecuación de Schrodinger, Función de onda y Densidad de probabilidad I9 2.6 Barrera de potencial en escalón. Barrera de potencial rectangular. Barrera de potencial no rectangular I Efecto túnel. Ejemplos: - emisión de partículas alpha, - emisión de electrones por campo. Microscopio de efecto túnel (STM). Microscopio de Fuerzas atómicas (AFM) y magnéticas (MFM). I Efectos Josephson.. SQUID. Pozo de potencial cuadrado. Oscilador armónico. Ley de Planck I12

9 7. Breve descripción de las modalidades organizativas utilizadas y de los métodos de enseñanza empleados CLASES DE TEORIA Se utilizará la lección magistral para la exposición verbal de los contenidos CLASES DE PROBLEMAS El profesor propondrá problemas que el alumno deberá realizar en casa y posteriormente se resolverán en la clase TRABAJO A REALIZAR EN CASA El alumno realizará un trabajo sobre un tema basado en un artículo publicado en inglés en una revista de Física de alto nivel divulgativo (Physics Today, Nature, Science, etc.) del año 2010, elegido de acuerdo con el profesor. EXPOSICIÓN ORAL DEL TRABAJO REALIZADO El alumno realizará una presentación oral en formato Power Point con una duración aproximada de 20 minutos sobre el tema del trabajo indicado anteriormente. TRABAJO EN GRUPO Se establecerán 13 temas. Los alumnos matriculados se distribuirán en 13 grupos que trabajarán en equipo para la realización del trabajo encomendado. PROYECCIÓN DE VÍDEOS DE FISICA MODERNA SEMINARIOS DE FISICA De la colección el Universo Mecánico, se proyectarán 4 lecciones (en dos sesiones) correspondientes a temas de Física Moderna, para aclarar los conceptos impartidos en clase. Los alumnos recibirán 2 conferencias sobre temas de investigación actual en Física, con un objetivo doble: iniciarles en lo que es propiamente la investigación y además en la manera de exponer un tema científico en una presentación oral impartida por un Doctor. TUTORÍAS Se realizarán según la normativa vigente.

10 8. Recursos didácticos RECURSOS DIDÁCTICOS ALONSO, M / FINN, E.J. Física III. Ed. Addison-Wesley, TIPLER, P.A./MOSCA, G. Física moderna. Ed. Reverté, SMITH, J.H. Introducción a la Relatividad Especial. Ed. Reverté BIBLIOGRAFÍA EISBERG, R.M. / RESNICK. Física Cuántica. Ed. McGraw-Hill, KRANE, K. Modern physics. Ed. Wiley & Sons, OHANIAN, H.C. Modern physics. Ed. Prentice Hall, 1995 RECURSOS WEB Todos los necesarios para realizar la búsqueda de información relativa al tema del trabajo, empezando por la localización del artículo que ha de servir de base al mismo. EQUIPAMIENTO Aula : Asignada por Jefatura de Estudios 10

11 9. Cronograma de trabajo de la asignatura Semana Actividades en Aula Trabajo Individual Trabajo sobre un tema de Física Moderna Actividade s de Evaluación Otros Semana 1 (5 horas) Presentación de la asignatura Tema 1. Introducción a la relatividad 1.1 Introducción histórica. Búsqueda de un sistema absoluto. El éter. Experimento Michelson-Morley. (3 h) Estudio teórico del tema (2 h). Semana 2 (7 horas) 1.1 Principios de la relatividad de Einstein. Diagramas de Minkowski. Sincronización de relojes. Contracción de la longitud. (3 h) Estudio teórico del tema. Resolución de ejercicios entregar al profesor (4 h). Semana 3 (6 horas) 1.1. Dilatación del tiempo. Desintegración de los muones. La paradoja de los gemelos. 1.2 Efecto Doppler relativista (2 h) Estudio teórico del tema. Resolución de ejercicios entregar al profesor (3 h) Elección de trabajos y fechas de exposición (1 h) Semana 4 (3 horas) Resolución de ejercicios entregar al profesor (1,5 h) Proyección de un vídeo sobre temas de relatividad (1,5 h) Semana 5 (5 horas) 1.3 Mecánica relativista. Transformación relativista de la velocidad.. Masa y energía. Partículas sin masa. Fotón. Producción de pares. Positrón (1,5 h). Estudio teórico del tema (2 h) Proyección de un vídeo sobre temas de relatividad (1,5 h) 11

12 Semana Actividades en Aula Trabajo Individual Trabajo sobre un tema de Física Moderna Actividade s de Evaluación Otros Semana 6 (6 horas) 1.4. Dinámica relativista. Aplicación al Electromagnetismo. Campo eléctrico y magnético creado por cargas en movimiento (2 h) Estudio teórico del tema (3 h) Evaluación del Tema I (1 h) Semana 7 (5 horas) Tema 2. Física Cuántica y Ondulatoria 2.1 Naturaleza de la luz. Espectro Electromagnético. (1,5 h) Estudio teórico del tema (2 h) Seminario sobre un tema de investigación de Física (1.5) Semana 8 (7 horas) 2.1 Rayos X. Difracción de rayos X. Ley de Bragg Radiación térmica. Radiación del cuerpo negro. Ley de Planck (3 h). Estudio teórico del tema. Resolución de ejercicios entregar al profesor (4 h) Semana 9 (7 horas) Tema 2.2. Efecto fotoeléctrico. Contradicciones clásicas. Explicación de Einstein. Efecto Compton Realización de problemas Estudio teórico del tema. Resolución de ejercicios entregar al profesor (4 h) Empieza la exposición de los trabajos por parte de los alumnos (0,6 h) 2.3 Mecánica Ondulatoria. Hipótesis de De Broglie, (2,4 h) 12

13 Semana Actividades en Aula Trabajo Individual Trabajo sobre un tema de Física Moderna Actividade s de Evaluación Otros Semana 10 (7 horas) 2.3 Difracción de electrones, Microscopio electrónico de barrido (SEM) 2.4 Experimento de la doble rendija con electrones Principio de incertidumbre de Heisenberg. (2,4 h) Estudio teórico del tema. Resolución de ejercicios entregar al profesor (4 h) Exposición de los trabajos por parte de los alumnos (0,6 h) Semana 11 SEMANA SANTA Semana 12 (3,5 horas) 2.5 Ecuación de Schrodinger, Función de onda y Densidad de probabilidad (0,9 h) Resolución de ejercicios entregar al profesor (2 h) Exposición de los trabajos por parte de los alumnos (0,6 h) Semana 13 (7 horas) 2.6 Barrera de potencial en escalón. Barrera de potencial rectangular. Barrera de potencial no rectangular (2,4 h) Estudio teórico del tema (4 h). Exposición de los trabajos por parte de los alumnos (0,6 h) Semana 14 (7 horas) 2.7 Efecto túnel. Ejemplos: emisión de partículas alpha, emisión de electrones por campo. Microscopio de efecto túnel (STM). Microscopio de Fuerzas atómicas (AFM) y magnéticas (MFM). (2,4 h) Estudio teórico del tema. Resolución de ejercicios entregar al profeso (4 h) Exposición de los trabajos por parte de los alumnos (0,6 h) 13

14 Semana Actividades en Aula Trabajo Individual Trabajo sobre un tema de Física Moderna Actividade s de Evaluación Otros Semana 15 (5 horas) 2.8 Efectos Josephson. SQUID. Pozo de potencial cuadrado. Oscilador armónico. Ley de Planck (1,2 h) Estudio teórico del tema. Resolución de ejercicios entregar al profesor (2 h) Exposición de los trabajos por parte de los alumnos (0,3 h) Seminario sobre un tema de investigación de Física (1,5 h) Semana 16 (6.5 horas) Repaso general de todo el tema. (4 h) Terminan de exponer los alumnos que falten. (1 h -1.5 h) Evaluación : TEMA 2 (1.5 h) Nota: Para cada actividad se especifica la dedicación en horas que implica para el alumno. El número de presentaciones orales previsto es de 13 a 15, con una duración de 20 minutos cada una, pero dichas estimaciones dependerán del número total de alumnos matriculados en la asignatura La realización del trabajo, así como la preparación de la presentación oral y las reuniones que puedan tener los distintos grupos de trabajo para llevarlo a cabo, se estima en 30 horas/alumno. 14

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