Física I: Introducción, Conceptos y

magnitudes en Física.

Ciencias NaturalesLas Ciencias Naturales engloban varios disciplinas, entre

las cuales se encuentran la Física, la Biología, la Química y la Astronomía.

Cada una de ellas estudia fenómenos que ocurren en la naturaleza con la observación directa o con experimentos sistemáticos en el laboratorio.

Estas divisiones no son esenciales en ciencia y solamente indican grados de especialización. En algunos casos, el mismo fenómeno puede concitar en el mismo tempo el internes de científicos de varios disciplinas. Por ejemplo, el estudio de los objetos que presentan una evolución caótica en el tiempo, interesan a los Físicos y a los Matemáticos.

• La física es la ciencia de la naturaleza en el sentido más amplio. Estudia las propiedades de la materia, la energía, el tiempo, el espacio y sus interacciones.

• La física ( griego -- φύσισ (phisis), «naturaleza») se entiende como la ciencia de la naturaleza o fenómenos materiales.

• Los sistemas físicos se caracterizan por:Tienen una ubicación en el espacio-tiempo.Tienen un estado físico y a evolución temporal. Pueden ser asociados con una magnitud física llamada energía. La física estudia, por lo tanto, un amplio rango de campos y fenómenos naturales, desde las partículas subatómicas hasta la formación y evolución del Universo.

El Universo:Edad: 13.7 miles de milliones de años (1 % de error)

Expansión: 71 km/sec/Mpc actualmente (5 % de error)

73% = Energía oscura

23% = materia oscura fría

4% = átomos de materia ordinaria

Ocurrió una etapa de expansión rápida (inflación).

Se expandirá para siempre.

Materia visible:La materia visible está

constituida por partículas bariónicas (protones y neutrones) y se encuentra en:

las estrellaslas nubes de gas atómico y

molecularlos granos de polvolos rayos cósmicos y otras

partículas de alta energíaObservamos en galaxias y medio intergaláctico. La detectamos porque emite fotones.

Constituyentes del universo

Constituyentes del universo

Materia no visibleLa Ley de la Gravitación Universal de Isaac Newton nos dice que la gravedad es más fuerte cuanto más cerca estemos de un planeta o de una estrella. Con los telescopios actuales se pueden ver las estrellas individuales en las galaxias lejanas. La Ley de la Gravitación de Newton también se cumple para estas galaxias lejanas. Las estrellas cerca del centro de la galaxia deben girar muy rápido, y las estrellas más alejadas giran más despacio. Pero las estrellas alejadas giran tan rápido como las estrellas cercanas al centro ¡Cuando tenían que girar mucho más lento! Se acepta que la galaxia debe tener más materia, más masa. Las galaxias deben tener algún tipo de materia que produce gravedad, pero que no vemos, a ese tipo de materia le llamamos materia oscura.

Constituyentes del universo

Radiación de fondoLa radiación de fondo de microondas es una forma de radiación electromagnética que llena el universo por completo.También se denomina radiacióncósmica de microondas o radiación del fondo cósmico. Tiene características de radiación de cuerpo negro a una temperatura de 2,725 Kelvin. Es la principal evidencia del modelo cosmológico moderno.

3º K

Constituyentes del universo

Energía oscura:En 1998 se descubrió con observaciones de supernovas muy lejanas que la expansión del universo se estaba acelerando.Debe existir algún tipo de fuerza que acelere el universo.

Programa oficial de actividades docentes “Física I”

PCBQ 114Carrera de Licenciatura en Ciencia mención Biología o Química

• Inicio de Clases: 7 Marzo 2007• Término de Clases: 28 Junio 2007• Horario: Miércoles: 14:30 Hrs. - 16:00 Hrs.• Jueves: 14:30 Hrs. - 16:00 Hrs.• Lugar: Sala 8, Sector Aulas, Facultad de Ciencias

CARRERA LICENCIATURA EN CIENCIAS

• ASIGNATURA Física I• CURSO O NIVEL PRIMER AÑO, PRIMER SEMESTRE• HORAS SEMANALES 4,5 Horas• CODIGO PCBQ 114 • DURACION SEMESTRAL• LUGAR Sala 8, Sector Aulas, Facultad de Ciencias• DIA Y HORA Miércoles y Jueves 14:30 - 16:00 Hrs. • DOCENTES PARTICIPANTES: Jura Borissova, Osvaldo Herrera

• REQUISITOS PARA LA APROBACION DE LA ASIGNATURA: Los que dispone el Reglamento de Estudios de la Facultad de Ciencias

• OBJETIVO GENERAL:• Instruir sobre las leyes de la mecánica básicos.• Entender el método científico como

procedimiento de análisis. • Conocer, dominar y aplicar los principios

básicos de la Mecánica.• Enseñar los conocimientos básicos de los

principios de la mecánica clásica, para luego aplicarlos.

• METODOLOGÍA:• Clases expositivas y actividades prácticas. Las

clases prácticas no están incorporadas en el cronograma.

BIBLIOGRAFÍA MÍNIMA OBLIGATORIA Y

COMPLEMENTARIA

A.- LECTURAS OBLIGATORIAS:• Douglas C. Giancoli, Physics, Prentice Hall Ed. (3ª

edición).• Halliday y Resnick, Física para Estudiantes de Ciencias.• Buecke F., Física (Serie Schaums).• B.- LECTURAS COMPLEMENTARIAS:• Sears y Zemansky, Física General.• Fishbane, Gasiorowicz and Thornton, Physics for

Scientists and Engineers. Prentice Hall Ed.

EVALUACION:

• Tres pruebas de cátedra por semestre de coeficiente 1 y una prueba al final con toda la materia de coeficiente 2. 5-6 tareas.

• Informes individuales de laboratorio. El promedio de los informes da la nota final de laboratorio, que debe ser igual o superior a 4.0.

• La nota final se obtiene: • 70% correspondiente al promedio de cátedra,

30% promedio de Laboratorio.

PROGRAMA

• SEMANA I• Miércoles 7 Marzo 2007Introducción, Conceptos y magnitudes en

Física• Jueves 8 Marzo 2007Cantidades: fundamentales y derivadas.

Sistemas de unidades, mediciones y cifras significativas

PROGRAMA

• SEMANA II• Miércoles 14 Marzo 2007Cantidades vectoriales: operaciones de

suma, diferencia• Jueves 15 Marzo 2007Cantidades vectoriales: producto escalar y

producto vectorial.

PROGRAMA• SEMANA III• Miércoles 21 Marzo

2007Cinemática en 1D:

posición, velocidad, aceleración

• Jueves 22 Marzo 2007

Cinemática en 1D, mov. Acelerado, caída libre

Velocidad v, aceleración a y distancia recorrida S.

PROGRAMA• SEMANA IV• Miércoles 4 Abril

2007Cinemática en 2D: Mov.

parabólico• Jueves 5 Abril 2007Cinemática en 2D: Mov.

Circular

PROGRAMA• SEMANA VMiércoles 11Abril 2007• Cinemática en 2D:Representación

vectorialJueves 12 Abril 2007• Repaso • Miércoles 18 Abril 2007• PRUEBA 1

PROGRAMA• Jueves 19 Abril 2007Dinámica de una partícula: leyes de Newton• Miércoles 25 Abril 2007Dinámica: fuerzas, representación vectorial• Jueves 26 Abril 2007Trabajo, fuerzas conservativas• Miércoles 2 Mayo 2007Energía, Potencial gravitatoria• Jueves 3 Mayo 2007Energía, Potencial Elástica • Miércoles 9 Mayo 2007Teorema de conservación de la energía• Jueves 10 Mayo 2007Cantidad de Movimiento, Conservación • Miércoles 16 Mayo 2007Repaso• Jueves 17 Mayo 2007Prueba 2

PROGRAMAMayo - Junio Choques, Centro de masa Dinámica de rotación. Torque,

momentum angularEstática de Fluidos: presión, Principio

de Pascal, Principio de Arquímedes, Principio de Bernoulli

Dinámica de Fluidos: Aplicaciones• Miércoles 20 Junio 2007Repaso• Jueves 21 Junio 2007Prueba 3• Miércoles 27 Junio 2007Repaso• Jueves 28 Junio 2007Prueba Global (Sumativa)• Miércoles 4 Julio 2007Prueba Especial

Ramas de la FísicaPara su estudio la física se puede dividir en tres grandes etapas:• la Física clásica,• la Física moderna• la Física contemporánea. La primera - estudia de aquellos fenómenos que ocurren a una velocidad

relativamente pequeña comparada con la velocidad de la luz en el vacío y cuyas escalas espaciales son muy superiores al tamaño de átomos y moléculas. La velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal de valor 299.792.458 m/s (aproximadamente 300.000 km/s). Tamaño de átomo es 1,0586 × 10–10 m.

La segunda - de los fenómenos que se producen a la velocidad de la luz o valores cercanos a ella o cuyas escalas espaciales son del orden del tamaño del átomo , fue desarrollada en los inicios del siglo XX.

La tercera se encarga del estudio de los fenómenos no-lineales, de la complejidad de la naturaleza, de los procesos fuera del equilibrio termodinámico y de los fenómenos que ocurren a escalas mesoscópicas y nanoscópicas. Esta área de la física se comenzó a desarrollar hacia finales del siglo XX.

Dentro del campo de estudio de la Física clásica se encuentran:

– Mecánica: mecánica clásica, mecánica de fluidos.

– Termodinámica, mecánica estadística– Mecánica ondulatoria: acústica y óptica– Electromagnetismo: Electricidad y Magnetismo

Dentro del campo de estudio de la Física moderna se encuentran:

– Relatividad: Teoría especial de la relatividad, Teoría general de la relatividad, Gravitación

– Mecánica cuántica: Átomo, Núcleo, Física química, Física del estado sólido

– Física de partículas

Dentro del campo de estudio de la Física contemporánea se encuentran:

– Termodinámica fuera del equilibrio: Mecánica estadística.

– Dinámica no-lineal: Turbulencia, Teoría del Caos, Fractales.

– Sistemas complejos: Sociofísica, Econofísica– Física mesoscópica.– Nano-Física

Historia

• Desde la antigüedad las personas tratan de comprender la naturaleza y los fenómenos que en ella se observan: el paso de las estaciones, el movimiento de los cuerpos y de los estrellas, etc. Las primeras explicaciones se basaron en consideraciones filosóficas y sin realizar experimentes. Por tal motivo hay algunas interpretaciones "falsas"

• Por ejemplo Ptolomeo - "La Tierra está en el centro del Universo y alrededor de ella giran los estrellas" - duran cientos de años.

HistoriaEn el Siglo XVI Galileo fue pionero en el uso de experimentos para validar las teorías de la física. Se interesó en el movimiento de los astros y de los cuerpos. Con el telescopio observó que Júpiter tenía satélites girando a su alrededor. En el Siglo XVII Newton formuló las leyes clásicas de la dinámica (Leyes de Newton) y la Ley de la gravitación universal.

Historia• A partir del Siglo XVIII se produce el desarrollo de otras disciplinas como

la termodinámica, la mecánica estadística y la mecánica de fluidos.• En el Siglo XIX se producen avances fundamentales en electricidad y

magnetismo inificada por Maxwell en la Teoría del electromagnetismo. Una de las predicciones de esta teoría es que la luz es una onda electromagnética.

• A finales de este siglo se producen los primeros descubrimientos sobre radiactividad y comienzo el campo de la física nuclear. En 1897 Thomsondescubrió el electrón.

• Durante el Siglo XX la Física se desarrolló plenamente. • En 1904 se propuso el primer modelo del átomo. • En 1905 Einstein formuló la Teoría de la Relatividad especial, la cual

coincide con las Leyes de Newton cuando los fenómenos se desarrollan a velocidades pequeñas comparadas con la velocidad de la luz.

• Planck, Einstein, Bohr desarrollaron la Teoría cuántica a fin de explicar resultados experimentales anómalos sobre la radiación de los cuerpos.

• También se habla de Física teórica y Física experimental

• si la Física está más orientada al desarrollo de teorías • o a la comprobación experimental de los resultados

predichos por las teorías. • Método de la Física

Todas las ciencias de la naturaleza tienen una característica común: son ciencias experimentales, es decir, los conocimientos acumulados se obtienen con los experimentos sistemáticos. Este procedimiento se llama método científico experimental también conocido como empírico.

• La física trabaja con:• Modelos• Teorías• Ley• Principios• Magnitudes, unidades, patrones.

Modelos• Cuando los investigadores

tratan de comprender un conjunto particular de fenómenos hacen un modelo. Un modelo es una analogía o imagen mental de un fenómeno. Muchas veces no podemos ver el fenómeno mismo. Por ejemplo: ondas de la luz y ondas en el agua.

• Un modelo nunca es perfecto.

Un agujero negro (simulado) de diez masas solares según lo visto de una distancia de 600 kilómetros con la vía láctea en el fondo.

Teorías• En general un modelo es mas sencillo, una

teoría es mas amplia, mas detallada y trata de resolver un conjunto de problemas.

• Ejemplos: teoría atómica. La teoría atómica es una teoría de la naturaleza de la materia, que afirma que está compuesta por pequeñas partículas llamadas átomos, en contraposición a la creencia antigua de que la materia se podía dividir en cualquier cantidad arbitrariamente pequeña.

Leyes• Para consideraste una ley, uno debe encontrar

validez experimental en una amplia variedad de fenómenos observados. Las leyes científicas con distintas de las leyes políticas, son descriptivas, no dicen como debería comportarse la naturaleza sino, mas bien describen como se comporta. Muy frecuente un ley se expresa como una relación. Por ejemplo ecuación de Newton

F=ma La fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional al producto de su masa y su aceleración.

Conceptos• Los conceptos de espacio y tiempo son

centrales en todas las teorías de la Física.• El tiempo tiene que ver con aspectos tales

como: el fenómeno A ocurre antes o después que el fenómeno B, o quizás simultáneamente. O que un proceso duró más o menos que otro. La cantidad física tiempo se define

• con la ocurrencia de los sucesos• o con la duración de un proceso. • Lo mismo ocurre con el concepto de espacio.

Tenemos clara intuición del significado de estar cerca o lejos. De la proximidad o la lejanía.

Magnitudes• Se entiende por magnitud física toda aquella

propiedad de los sistemas físicos que se puede medir o estimar por un observador.

• Se expresa con un número (o conjunto de ellos) y una unidad de medida, y con la cual se pueden establecer relaciones cuantitativas.

• Se denomina medición a la técnica por medio de la cual se asigna un número a una propiedad física, como resultado de una comparación de dicha propiedad con otra similar tomada como patrón.

Resumen• La física, como los demás ciencias, es una empresa de

creación, no simplemente una colección de hechos.• Las teorías importantes se crean con el fin de explicar las

observaciones.• Por ser aceptada, una teoría se ¨prueba¨ comparando sus

predicciones con resultados de los experimentos o observaciones reales.

• En general, una teoría no se puede demostrar en sentido absoluto.

• La física se relaciona con otros campos de las ciencias. • Para comprender un tipo de fenómenos, los científicos hacen

un modelo. Una teoría se desarrolla a partir de un modelo y es mas profunda y mas complicada que un modelo. Una ley es un enunciado conciso, expresado con de ecuación y describe cuantitavamente un tipo de fenómenos.

Magnitudes• Magnitudes escalares, vectoriales y tensoriales• Con respecto a la relación matemática existente entre las mediciones realizadas por diferentes

observadores, que difieren según su grado de movimiento y/u orientación, las magnitudes en física se clasifican en:

• Magnitudes escalares, son magnitudes caracterizadas por un valor fijo independiente del observador y carecen de dirección y sentido, como por ejemplo, la masa. En física clásica la masa, la energía, la temperatura o la densidad de un cuerpo son magnitudes escalares ya que contienen un valor fijo para todos los observadores (en cambio en teoría de la relatividad la energía o la temperatura dependen del observador y por tanto no son escalares).

• Magnitudes vectoriales, son magnitudes que cuentan con: cantidad, dirección y sentido como, por ejemplo, la velocidad, la fuerza, la aceleración, etc. Además, al considerar otro sistema de coordenadas asociado a un observador con diferente estado de movimiento o de orientación, las magnitudes vectoriales no presentan invariancia de cada una de las componentes del vector y, por tanto, para relacionar las medidas de diferentes observadores se necesitan relaciones de transformación vectorial. En mecánica clásica también el campo eléctrostático se considera un vector; sin embargo, de acuerdo con la teoría de la relatividad esta magnitud, al igual que el campo magnético, debe ser tratada como parte de una magnitud tensorial.

• Magnitudes tensoriales, que caracterizan propiedades o comportamientos físicos modelizables mediante un conjunto de números que cambian tensorialmente al elegir otro sistema de coordenadas asociado a un observador con diferente estado de movimiento o de orientación.

• De acuerdo con el tipo de magnitud debemos escoger leyes de transformación de las componentes físicas de las magnitudes medidas, para poder ver si diferentes observadores hicieron la misma medida o para saber qué medidas obtendrá un observador conocidas las de otro cuya orientacióny estado de movimiento respecto al primero sean conocidos.

Sistema Internacional de Unidades

• El Sistema Internacional de Unidades se basa en dos tipos de magnitudes físicas, las siete que toma como fundamentales (longitud, tiempo, masa, intensidad de corriente eléctrica, temperatura, cantidad de sustancia e intensidad luminosa) y las derivadas, que son las restantes y que pueden ser expresadas con una combinación matemática de las anteriores.

Longitud: metro (m). El metro es la distancia recorrida por la luz en el vacío en 1/299 792 458 segundos. Este patrón fue establecido en año de 1983.

Tiempo: segundo (s). El segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio-133. Este patrón fue establecido en el año de 1967.

Masa: kilogramo (kg). El kilogramo es la masa de un cilindro de aleación de Platino-Iridio depositado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas. Este patrón fue establecido en el año de 1887.

Intensidad de corriente eléctrica: amperio (A). El amperio o ampere es la intensidad de una corriente constante que, manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro, en el vacío, produciría una fuerza igual a 2×10-7 newton por metro de longitud.

Temperatura: kelvin (K). El kelvin es la fracción 1/273,16 de la temperatura del punto triple del agua. Cantidad de sustancia: mol (mol). El mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas

entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono-12. Intensidad luminosa: candela (cd). La candela es la unidad luminosa, en una dirección dada, de una

fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540×1012 Hz y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 watios por estereorradián.

Unidades, Patrones• El Sistema Internacional de Unidades, abreviado SI, también denominado

sistema internacional de medidas, es el sistema de unidades más extensamente usado. Junto con el antiguo sistema métrico decimal, que es su antecedente y que ha mejorado, el SI también es conocido como sistema métrico, especialmente en las naciones en las que aún no se ha implantado para su uso cotidiano. Fue creado en 1960 por la Conferencia General de Pesas y Medidas, que inicialmente definió seis unidades físicas básicas o fundamentales. En 1971, fue añadida la séptima unidad básica, el mol.

• Una de las principales características, que constituye la gran ventaja del SI, es que sus unidades están basadas en fenómenos físicos fundamentales. La única excepción es la unidad de la magnitud masa, el kilogramo, que está definida como “la masa del prototipo internacional del kilogramo” o aquel cilindro de platino e iridioalmacenado en una caja fuerte de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas.

• Las unidades del SI son la referencia internacional de las indicaciones de los instrumentos de medida y a las que están referidas a través de una cadena ininterrumpida de calibraciones o comparaciones. Esto permite alcanzar la equivalencia de las medidas realizadas por instrumentos similares, utilizados y calibrados en lugares apartados y por ende asegurar, sin la necesidad de ensayos y mediciones duplicadas, el cumplimiento de las características de los objetos que circulan en el comercio internacional y su intercambiabilidad.

Magnitudes Fundamentales Magnitud fundamental

Unidad básica Símbolo

Longitud (l) metro m

Masa (m) kilogramo kg

Tiempo (t) segundas s

Inensidad de corriente eléctrica

amperio A

Temperatura(T) kelvin K

Cantidad de sustancia (n)

mol mol

Intensidad luminosa (l)

candela cd

Ejemplos de unidades derivadas• Unidad de volumen o metro cúbico, resultado de combinar tres veces la longitud,

una de las magnitudes fundamentales. • Unidad de densidad o cantidad de masa por unidad de volumen, resultado de

combinar la masa (magnitud fundamental) con el volumen (magnitud derivada). Se expresa en kilogramos por metro cúbico y no tiene nombre propio.

• Unidad de fuerza, magnitud que se define a partir de la Segunda ley de Newton (Fuerza = masa × aceleración). La masa es una de las magnitudes fundamentales pero la aceleración es derivada. Por tanto, la unidad resultante (kg × m × s-2) es derivada. Esta unidad derivada tiene nombre propio, newton.

• En cualquier caso, siempre es posible establecer una relación entre las unidades derivadas y las básicas o fundamentales mediante las correspondientes ecuaciones dimensionales.

• El concepto no debe confundirse con los múltiplos y submúltiplos, los que son utilizados tanto en las unidades fundamentales como en las unidades derivadas, sino que debe relacionarse siempre a las magnitudes que se expresan. Si estas son longitud, masa, tiempo, intensidad de corriente eléctrica, temperatura, cantidad de sustancia o intensidad luminosa, se trata de una magnitud fundamental, y todas las demás son derivadas.

Prefijo • Las unidades básicas

tienen múltiplos y submúltiplos, que se expresan mediante prefijos. Así, por ejemplo, la expresión kilo indica "mil" y, por lo tanto, 1 km son 1000 m, del mismo modo que mili indica "milésima" y, por ejemplo, 1 mA es 0,001 A.

Prefijo Simbolo

Factor

tera T 1012 (un bilion)

giga G 109 (mil miliones)

mega M 106 (un milion)kilo K 103 (mil)

hecto h 102 (cien)deca Da 101 (diez)deci d 10-1 (un décimo )centi c 10-2 (un centésimo)

Medición y errores • Las mediciones exactas son parte importante de

la física. Pero ninguna medición tiene precisión absoluta, hay una incertidumbre asociada con cada medición.

• Todos los instrumentos de medición tienen un error – ancho de tablero - mínima división de la regla. 5.2 ± 0.2 – mas o menos.

• Error porcentual – la relación entre el error de medida y el valor medido * 100

• 0.1/5.2*100=2%

Cifras significadas• 23.21 – 4 cifras significadas. – numero de cifras significadas.

Las calculadores electrónicas se equivocan con las cifras significadas.Potencias de diez - ¨exponencial¨.

36900 = 3.69x104 y 0.0021 se escribe 2.1x10-3