FÍSICA II Grado en Física

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1 GUÍA DOCENTE FÍSICA II Grado en Física Curso 2010/2011 1

2 I.- DATOS INICIALES DE IDENTIFICACIÓN Nombre de la asignatura: Física II Nombre de la Materia Física Créditos ECTS 6 Carácter: Formación Básica, cuatrimestral Titulación: GRADUADA/O EN FÍSICA Profesores responsables: Ramón Cases, Juan Zúñiga Departament de Física Atòmica, Molecular i Nuclear Enric Valor Departament de Física de la Terra i Termodinàmica II.- INTRODUCCIÓN A LA ASIGNATURA Física II es una asignatura de Formación Básica de 1er curso impartida en el segundo cuatrimestre con una carga asignada de 6 créditos ECTS. Cuenta con una parte de conceptos teóricos y otra de resolución de ejercicios prácticos relacionados con la teoría, ambas impartidas en el aula. Esta asignatura es la continuación natural en contenidos de la Física I de primer cuatrimestre y establece con ella y con la Física III los fundamentos de la materia Física en el Grado. Precisa las herramientas matemáticas de Algebra y Geometría I y Cálculo I de 1er curso y tiene como complemento la Iniciación a la Física Experimental, donde se desarrollan experimentos en el laboratorio. Los descriptores propuestos en el documento del Plan de Estudios del Grado en Física establecen los siguientes puntos: Oscilaciones simples, amortiguadas y forzadas (resonancia). Aspectos básicos del movimiento ondulatorio y ejemplos. Sólidos deformables y fluidos. Termodinámica y Teoría Cinética de Gases. Introducción a la estructura de la materia: átomos, moléculas y sólidos. En esta asignatura se pretenden impartir los conceptos básicos de oscilaciones mecánicas, elasticidad, termología e introducción a la estructura de la materia que posteriormente se tratarán con mayor grado de formalismo en asignaturas como Oscilaciones y ondas, Termodinámica, Física Cuántica I y II o Física del Estado Sólido. III.- VOLUMEN DE TRABAJO A la asignatura de Física II se le computarán un total de 150 horas de trabajo para el alumno. La equivalencia es de 1 crédito ECTS = 25 horas de trabajo del estudiante. El trabajo está repartido en 15 semanas del siguiente modo: 2

3 TIPO DE ACTIVIDAD DESCRIPCIÓN HORAS Teórico-prácticas: Explicación de contenidos Asistencia a clases teóricos, con ejemplos horas/semana x 15 semanas Trabajos tutelados: 1 hora/semana x 15 semanas 15 Preparación de Materias teórico-prácticas: Resolución de tareas y trabajos ejercicios propuestos en sesiones de trabajos Horas de trabajo del tutelados para resolver en casa 30 estudiante sometidas a 2 horas/semana x 15 semanas evaluación Estudio-preparación Teoria-problemas: 3 h/sem x 15 semanas 45 contenidos teóricoprácticos Estudio para preparación de 11 h/examen x 1 examen 11 exámenes: Realización de exámenes: 4 h/examen x 1 examen 4 TOTAL VOLUMEN DE TRABAJO 150 IV.- OBJETIVOS GENERALES Presentar los contenidos básicos de oscilaciones y ondas, elasticidad, fluidos, termodinámica y estructura de la materia, insistiendo en los conceptos fundamentales, para que los estudiantes puedan afrontar otras asignaturas del grado, en el mismo curso o en cursos posteriores. Lograr que el alumno adquiera una terminología básica en Física, que sepa expresarse con la precisión requerida en el ámbito de la Ciencia, formulando ideas, conceptos y relaciones entre ellos, siendo capaz de razonar en términos científicos. Dotar de la capacidad operativa para aplicar y relacionar leyes y conceptos, así como dominar los distintos procedimientos para la resolución de problemas, incluyendo las habilidades matemáticas necesarias. Hacer que el alumno sea capaz de estudiar y planificar sus actividades de cara al aprendizaje, ya sea individualmente o en grupo, buscando, seleccionando y sintetizando información en las distintas fuentes bibliográficas. V.- CONTENIDOS MÍNIMOS Oscilaciones y ondas Movimiento armónico simple. Sistemas oscilantes. Oscilaciones amortiguadas y forzadas. Resonancia. Movimiento ondulatorio. Función y ecuación de ondas. Ondas armónicas. Ondas en 3 dimensiones. Ondas sonoras. Efecto doppler. Ondas de choque. Superposición de ondas armónicas. Ondas estacionarias. 3

4 Sólidos deformables y fluidos. Equilibrio estático. Elasticidad: módulos elásticos. Presión en un fluido. Principios de Pascal y Arquímedes. Fluidos en movimiento: fluidos ideales y viscosos. Termodinámica y Teoría cinética de gases Temperatura, expansión térmica y gases ideales. Calor, trabajo y energía interna. Primer principio de la Termodinámica. Máquinas térmicas y refrigeradores. Segundo principio de la Termodinámica. Concepto de Entropía. Teoría cinética de gases. Introducción a la estructura de la materia: átomos, moléculas y sólidos Espectros atómicos. Modelo de Bohr del átomo de hidrógeno. El espín del electrón. Átomos multielectrónicos. Estructura molecular y espectros moleculares. Estructura de los sólidos. Teoría de bandas. Aislantes, conductores y semiconductores. VI.- DESTREZAS A ADQUIRIR Desarrollar la intuición física. Adquirir seguridad en la modelización y resolución de problemas físicos sencillos. Conocer las unidades del Sistema Internacional, asignándolas correctamente a cada una de las magnitudes físicas estudiadas. Comprender los conceptos básicos del movimiento oscilatorio, incluyendo las oscilaciones amortiguadas, las oscilaciones forzadas y la resonancia. Asimilar los conceptos básicos del movimiento ondulatorio, pudiendo aplicar dichos conceptos a casos relevantes, como las ondas sonoras, así como el tratamiento de aspectos básicos de la superposición de ondas y las ondas estacionarias. Analizar y saber resolver en la práctica cuáles son las condiciones para conseguir el equilibrio estático de objetos y la determinación de las fuerzas que actúan sobre el mismo. Conocer las deformaciones y fuerzas elásticas que surgen cuando los sólidos se someten a una tensión, identificando en cada caso los módulos elásticos involucrados. Comprender la descripción básica de fluidos en reposo o en movimiento, a través de las leyes fundamentales, pudiendo aplicarlas a casos sencillos. Conocer los principios básicos de la termodinámica, así como los conceptos relacionados en los mismos: temperatura, energía interna, calor, trabajo y entropía. Saber aplicar dichos principios para el estudio de procesos del gas ideal, distinguiendo entre procesos reversibles e irreversibles. Entender la interpretación microscópica de magnitudes macroscópicas del gas ideal, así como otros aspectos básicos de la teoría cinética de gases. Conocer los aspectos fundamentales de la estructura de la materia, para entender la fenomenología básica asociada a los átomos, moléculas y sólidos. VII.- HABILIDADES TRANSVERSALES Desarrollar la capacidad de identificar problemas e idear estrategias para su resolución. Desarrollar la capacidad de planificar y organizar el propio aprendizaje, basándose en el trabajo individual, a partir de la bibliografía y otras fuentes de información. Evaluar la importancia relativa de las diferentes causas que intervienen en un fenómeno. 4

5 Identificar los elementos esenciales de una situación compleja, realizar las aproximaciones necesarias para construir modelos simplificados que lo describan y poder así entender su comportamiento en otras situaciones. Interpretar adecuadamente las soluciones matemáticas en términos físicos y deducir las consecuencias físicas de dichas soluciones en diferentes circunstancias reales y aplicadas. Ser capaz de efectuar una puesta al día de la información existente sobre un problema concreto, ordenarla y analizarla críticamente. Fomentar la capacidad para trabajar en grupo a la hora de enfrentarse a situaciones problemáticas de forma colectiva. Argumentar y explicar de forma razonada tanto por escrito como oralmente. VIII.- TEMARIO Y PLANIFICACIÓN TEMPORAL 1 TEMA EQUILIBRIO ESTATICO Y ELASTICIDAD Equilibrio estático. Condiciones de equilibrio. Centro de gravedad. Ejemplos de equilibrio estático. Tensión y deformación. Módulos elásticos. 2 FLUIDOS Presión hidrostática en un fluido. Principio de Pascal. Empuje y principio de Arquímedes. Tensión superficial. Fluidos ideales en movimiento: ecuación de Bernouilli. Flujo viscoso: ley de Poiseuille. Turbulencia: número de Reynolds. 3 OSCILACIONES Movimiento armónico simple (MAS). Energía del MAS. Movimiento próximo al equilibrio. Algunos ejemplos de sistemas oscilantes. Oscilaciones amortiguadas. Oscilaciones forzadas: resonancia. 4 MOVIMIENTO ONDULATORIO Movimiento ondulatorio simple. Función y ecuación de ondas. Ondas armónicas. Ondas en 3 dimensiones. Ondas sonoras. Campo de audición humana. Efecto Doppler. Ondas de choque. Superposición de ondas de la misma frecuencia. Pulsaciones. Ondas estacionarias: en cuerdas y sonoras. 5 PROPIEDADES TÉRMICAS DE LA MATERIA Sistemas termodinámicos. Temperatura y el principio cero de la termodinámica. Termómetros y escalas de temperatura. Gases ideales. Ecuación térmica de estado. Coeficientes térmicos. Sólidos y líquidos. Diagrama de fases. Ecuación de van der Waals. Presión de vapor. Humedad relativa. 6 PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Mecanismos de interacción entre sistema y alrededores. Procesos termodinámicos. Trabajo mecánico. Diagrama de Clapeyron. Trabajo en procesos adiabáticos. Calor. Primer principio de la termodinámica. Capacidad calorífica. Relación de Mayer. Experimento de Joule: equivalente mecánico del calor. Calorimetría. Calor latente de cambio de fase. Procesos cuasiestáticos de un gas ideal. HORAS Teo + T tut

6 7 SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Necesidad del segundo principio. Máquinas térmicas, refrigeradores y bomba de calor. Enunciados del segundo principio y su equivalencia. Máquina de Carnot. Entropía. Procesos reversibles e irreversibles. Teorema de Carnot. Entropía del gas ideal. La definición termodinámica de temperatura. Cálculo de variación de entropía en procesos irreversibles. Entropía y desorden. Entropía y probabilidad. 8 TEORIA CINÉTICA DE GASES Introducción: modelo de gas ideal. Interpretación molecular de presión y temperatura. Teorema de equipartición. Energía interna del gas ideal. Distribuciones de velocidades moleculares. Capacidades caloríficas de sólidos y gases di- y poliatómicos. 9 ÁTOMOS, MOLÉCULAS Y SÓLIDOS Espectros atómicos. Modelo de Bohr del átomo de hidrógeno. Descripción cuántica: números cuánticos. El espín del electrón. Principio de exclusión de Pauli. Átomos multielectrónicos. Espectroscopía atómica. Enlace molecular. Enlace en sólidos. Teoría de bandas. Metales, aislantes y semiconductores. Teoría de electrones libres en metales IX.- BIBLIOGRAFÍA DE REFERENCIA a) Bibliografía básica: P.A. Tipler, G. Mosca, Física para la ciencia y la tecnología, Vols. 1 y 2. Reverté. 5ª edición, T.A. Moore, Física. Seis ideas fundamentales, Vols. 1 y 2. McGraw-Hill, b) Bibliografia complementaria: - P.M. Fishbane, S. Gasiorowicz, S. T. Thornton, Física para ciencias e ingeniería, Vols. 1 y 2, Prentice Hall, R.A. Serway y J.W. Jewett, Física, Vols. 1 y 2, Tomson.3ª edición., R.A. Serway, Physics for Scientists and Engineers, Saunders. 3ª edición, D.E. Roller y R. Blum, Física. Mecánica, ondas y termodinámica (Vol. 1), Reverté, R. Wolfson, J.M. Pasachoff, Physics, Addison-Wesley, 3ª edición, M. Alonso y E.J. Finn, Física, Pearson Educación, J.W. Kane, M.M. Sternheim. Física, Editorial Reverté V. Martínez Sancho. Fonaments de Física, Enciclopédia Catalana. -J. Aguilar y F. Senent. Cuestiones de Física, Editorial Reverté. X.- CONOCIMIENTOS PREVIOS Para cursar esta asignatura es conveniente que los estudiantes hayan cursado previamente la Física y Química de 1º de Bachillerato y las Matemáticas II y Física de 2º de Bachillerato. También se usan algunos de los conocimientos básicos adquiridos en Física I, Algebra y geometría I y Cálculo I, cursados en el primer cuatrimestre. 6

7 XI.- METODOLOGÍA La asignatura constará de dos tipos de clases con metodología diferenciada: a) Clases teórico-prácticas (3 por semana). En las clases teórico-prácticas se impartirán los contenidos teóricos básicos de la asignatura, así como ejemplos prácticos de problemas y ejercicios que mejor los ilustren. En combinación con discusiones y deducciones en la pizarra se podrán utilizar herramientas gráficas que incluyan imágenes, videos y animaciones que permitan ilustrar algunos de los fenómenos explicados, así como demostraciones experimentales. Aunque la mayor parte de los aspectos del programa se abordarán directamente en estas clases, algunos aspectos puntuales o monográficos del temario podrán ser indicados para su estudio sin que se traten directamente. De hecho, se fomentará y guiará al alumno en la ampliación de estos contenidos a través de la bibliografía recomendada, así como la posibilidad de ampliación de conocimientos en asignaturas futuras. b) Sesiones de trabajos tutelados (1 h por semana) En estas clases de problemas en grupos reducidos se pondrá a disposición de los estudiantes un boletín con problemas y ejercicios que se irán programando para que sean resueltos por los estudiantes antes de cada una de estas clases, en las que los estudiantes deberán explicar los problemas, justificando adecuadamente los cálculos realizados, y plantear las dudas que hayan surgido o los aspectos que presentan dificultades conceptuales o de cálculo. Los profesores harán un seguimiento del trabajo y progreso de los estudiantes, además de resolver las dudas planteadas. Durante el desarrollo de las propias sesiones también se asignarán ejercicios básicos que faciliten la comprensión de los fundamentos de la materia. XII.- EVALUACIÓN DEL APRENDIZAJE Los sistemas de evaluación son los siguientes: 1) Exámenes escritos (EE): una parte evaluará la comprensión de los aspectos teóricoconceptuales y el formalismo de la materia, tanto mediante preguntas teóricas como a través de cuestiones conceptuales y numéricas o casos particulares sencillos. Otra parte valorará la capacidad de aplicación del formalismo, mediante la resolución de problemas, así como la capacidad crítica respecto a los resultados obtenidos. En ambas partes se valorarán una correcta argumentación y una adecuada justificación. Sobre 10 puntos, la primera parte valdrá 6 puntos y la segunda 4 puntos. Será necesario obtener en total un mínimo de 4 puntos sobre 10 en este apartado. 2) Evaluación continua (EC): valoración de trabajos y problemas presentados por los estudiantes, cuestiones propuestas y discutidas en el aula, presentación oral de problemas resueltos o cualquier otro método que suponga una interacción entre docentes y estudiantes. Para obtener la nota de la asignatura se promediarán los apartados 1 y 2 con pesos del 60 % y 40 % respectivamente. Si la nota de los exámenes del apartado 1 es mayor que este promedio, se considerará aquélla como la nota de la asignatura. NOTA ASIGNATURA= MAX {EE, (0.6*EE+0.4*EC)} 7

8 OBSERVACIONES: Esta materia se podrá superar promediando las notas obtenidas en las asignaturas que la componen, siempre que se cumplan los criterios de compensación que se establezcan a tal efecto. 8