Fisica Moderna​

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS
FÍSICO MATEMÁTICAS
PROGRAMA SINTÉTICO
CARRERA: Ingeniería en Control y Automatización. Ingeniería Eléctrica
ASIGNATURA: Física Moderna
SEMESTRE:
Tercero
OBJETIVO GENERAL:
El alumno aplicará los conceptos básicos de física moderna no relativista y de la mecánica estadística,
en el análisis de los modelos mecánicos cuánticos que se manejan en los dispositivos electrónicos de
estado sólido.
CONTENIDO SINTÉTICO:
I.Relatividad
II.Introducción a la física cuántica
III.Mecánica cuántica
IV.Física atómica fuerzas
V.Moléculas y sólidos
VI.Superconductividad
METODOLOGÍA:
Participación en clase de los asistentes en la búsqueda, lectura y análisis de la información que posibilite
la integración de los aspectos teórico- prácticos, análisis y solución de problemas de la asignatura.
EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN:
Trabajos realizados extra clase (5%)
Reportes de las prácticas realizadas en los laboratorios (20%).
Participación en actividades de aprendizaje individuales y de equipo (5%)
Tres exámenes departamentales (calificación teórica 70%).
BIBLIOGRAFÍA:
1.- Robert Eisberg-Robert Resnick “Física Cuántica” Limusa 1991, México
2.- Artur Beiser “Perspectives of modern physsics" McGRAW-HILL 1969, U.S.A
3.-. Marcelo Alonso-Edward J. Finn ”FÍSICA” Vol. III, Addison Wesley 1971, México
4.- J. P. McKelvey “Física del Estado Sólido y de Semiconductores” Edit. Limusa 1976, México
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FÍSICO MATEMÁTICAS
ESCUELA: Escuela Superior de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica
CARRERA: Ingeniería En Control y Automatización
OPCIÓN:
COORDINACIÓN: Física DE I.C.A. e I.E.
DEPARTAMENTO:
ASIGNATURA: Física Moderna
CLAVE: Semestre: Tercero
CRÉDITOS:10.5
VIGENTE: Agosto 2004
TIPO DE ASIGNATURA: Teórico - Práctica.
MODALIDAD: Escolarizada
TIEMPOS ASIGNADOS
HRS/SEMANA/TEORÍA:
4.5
HRS/SEMANA/PRÁCTICA:
1.5
HRS/SEMESTRE/TEORÍA:
81
HRS/SEMESTRE/PRÁCTICA:
27
HRS/TOTALES:
108
PROGRAMA ELABORADO O ACTUALIZADO POR:
Academias de Física de la ESIME
REVISADO POR: Subdirección Académica
APROBADO POR: Consejo Técnico Consultivo
Escolar
ESIME- ZACATENCO
Dr. Alberto Cornejo Lizarralde
AUTORIZADO POR:
Comisión de Planes y Programas de Estudio del
Consejo General Consultivo del IPN.
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FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA: Física Moderna
CLAVE:
HOJA: 2 DE 11
FUNDAMENTACIÓN DE LA ASIGNATURA
La rápida evolución de la ciencia y la tecnología ha impulsado en el sistema educativo del país la
búsqueda de programas, métodos y recursos, que conlleven a elevar el nivel de la cultura de la población,
así como incrementar el número de profesionistas en las áreas científicas y tecnológicas. Hoy los
requerimientos sociales de profesionales con mayor preparación científica y tecnológica son superiores a
los de cualquier otro período histórico. Ante esta demanda, es fundamental promover la formación de
ingenieros creativos e imaginativos, con una actitud critica, racional y científica, capaces de manejar la
tecnología existente y desarrollar una tecnología propia, que permita solucionar los problemas que en
esta área enfrenta México. Pero, para poder formar este tipo de ingenieros, es indispensable que en las
escuelas se les proporcione una sólida formación en ciencias básicas, sin la cual se verán rebasados en
pocos años por los avances de su especialidad.
.
En este contexto en los planes de estudio de Ingeniería en Control y Automatización de la ESIME se ha
incluido la asignatura de física moderna y estadística sustentada en la experiencia de que los avances
tecnológicos ligados a la electrónica y las comunicaciones, logrados en el siglo anterior, han originado
cambios importantes en todas las especialidades de las ciencias y de la Ingeniería, pero en todos ellos los
principios físicos de la asignatura se han conservado inalterables. Nadie puede predecir con exactitud que
innovaciones tecnológicas se conseguirán en el futuro, pero si se puede estar seguro, de que los principios
físicos de la física moderna y estadística contribuirán en ellas.
Teniendo en cuenta el lugar que ocupa la Física como ciencia y fundamento de la tecnología moderna,
queda perfectamente definida la importancia de ésta, como asignatura componente del Plan de Estudios de
las carreras de Ingeniería en Control y Automatización.
Esta asignatura tiene como antecedente: Algebra, Cálculo diferencial e integral, Ecuaciones diferenciales,
Mecánica clásica, Electricidad y magnetismo.
Esta asignatura tiene como consecuente: Dispositivos Electrónicos
OBJETIVO DE LA ASIGNATURA
El alumno aplicará los conceptos básicos de física moderna no relativista y de la mecánica estadística, en
el análisis de los modelos mecánicos cuánticos que se manejan en los dispositivos electrónicos de estado
sólido.
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ASIGNATURA: Física Moderna
CLAVE:
HOJA: 3 DE 11
No. UNIDAD l NOMBRE: Relatividad.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno describirá los fenómenos: efecto fotoeléctrico y ondas de materia, que contradicen la mecánica
clásica y aplicará para su solución los principios de la mecánica antigua.
No.
TEMA
T
HORAS
P
3.0
TEMAS
1.1
El principio de la relatividad newtoniana
4
1.2
El experimento de Michelson-Morle
2
1.3
Principio de la relatividad de Einstein.
2
1.4
Consecuencias de la relatividad especial.
2
1.5
Las ecuaciones de transformación de Lorente
2
1.6
Momento relativista y forma relativista de las leyes de
Newton.
4
1.7
Energía relativista.
2
1.8
Equivalencia de la masa y la energía.
1
1.9
Relatividad y electromagnetismo.
1
1.10
Relatividad general.
1
EC
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
1C, 2C, 3C, 4C, 5C
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Realización de ejercicios, Resolución de problemas, Exposición de temas, en forma grupal y/o individual,
mediante la guía del profesor quien expone y explica los conceptos, ejemplifica mediante ejercicios que él
mismo resuelve fortalecimiento de conceptos aplicados en el laboratorio.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
•
•
•
•
Ejercicios realizados en clases.
Prácticas de laboratorio reportadas por escrito.
Participaciones
Examen de los contenidos de esta unidad.
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FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA: Física Moderna
No. UNIDAD lI
CLAVE:
HOJA: 4 DE 11
NOMBRE: Introducción a la física cuántica.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno explicara conceptos, principios y leyes fundamentales de la mecánica cuántica, así como la estructura y
organización de los átomos, identificará algunas aplicaciones prácticas de la interacción entre la materia y la
radiación.
No.
TEMA
TEMAS
T
HORAS
P
3.0
2.1
Radiación de cuerpo negro e hipótesis de Planck.
2
2.2
El efecto fotoeléctrico.
2
2.3
Aplicaciones del efecto fotoeléctrico.
2
2.4
El efecto Compton.
2
2.5
Espectros atómicos-
2
2.6
Modelo cuántico de Bohr del átomo.
2
EC
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
1C, 2C, 3C, 4C, 5C
PRIMER EXAMEN PARCIAL ORDINARIO
Estrategia didáctica:
Realización de ejercicios, resolución de problemas y exposición de temas de investigación, en forma grupal o
individual.
El profesor expone y explica los conceptos, ejemplifica mediante ejercicios que él mismo resuelve y en los
laboratorios se fortalecen los conceptos teóricos.
Procedimiento de evaluación
•
•
•
•
Ejercicios realizados en clases.
Prácticas de laboratorio reportadas por escrito.
Participaciones
Examen de los contenidos de esta unidad.
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FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA: Física Moderna
No. UNIDAD: llI
CLAVE:
HOJA: 5 DE 11
NOMBRE: Mecánica cuántica
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El estudiante comprenderá las propiedades ondulatorias y la cantidad de fenómenos que comprenden los
átomos, moléculas, núcleos y sólidos
Abordará los temas más avanzados de la teoría del campo. aprenderá a manejar por primera vez la notación
relativista, el lenguaje de teoría de grupos y de álgebras, finalmente el estudiante trabajará problemas
relativistas desde un punto de vista cuántico.
No.
TEMA
T
HORAS
P
6.0
TEMAS
3.1
Fotones y ondas electromagnéticas.
2
3.2
Las propiedades ondulatorias de las partículas.
2
3.3
Regreso al experimento de doble rendija.
2
3.4
El principio de incertidumbre.
1
3.5
Tunelaje a través de una barrera.
1
3.6
Diodo túnel.
1
3.7
Unión Josephson.
1
3.8
Decaimiento Alfa.
1
3.9
El microscopio de tonelaje exploratorio.
1
EC
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
1C, 2C, 3C, 4C, 5C
Estrategia didáctica:
Realización de ejercicios, resolución de problemas y exposición de temas de investigación, en forma grupal o
individual.
El profesor expone y explica los conceptos, ejemplifica mediante ejercicios que él mismo resuelve y en los
laboratorios se fortalecen los conceptos teóricos.
Procedimiento de evaluación
•
•
•
•
Ejercicios realizados en clases.
Prácticas de laboratorio reportadas por escrito.
Participaciones
Examen de los contenidos de esta unidad.
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FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA: Física Moderna
No. UNIDAD: IV
CLAVE:
HOJA: 6 DE 11
NOMBRE: Física atómica fuerzas
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El estudiante comprobará que los átomos y moléculas funcionan como fundamentales de prueba de los
principios de la Física, mediante técnicas experimentales y teórias recientes.
No.
TEMAS
TEMA
Los primeros modelos del átomo.
4.1
T
2
4.2
Átomo del hidrógeno.
1
4.3
El número cuántico magnético del espín.
2
4.4
Los “otros” números cuánticos.
2
4.5
El principio de fusión y la tabla periódica.
2
4.6
Espectros atómicos: visible y rayos X
1
4.7
Transiciones atómicas.
1
4.8
Láseres y holografía.
1
HORAS
P
10.5
EC
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
1C, 2C, 3C, 4C, 5C
SEGUNDO EXAMEN PARCIAL ORDINARIO
Estrategia didáctica:
Realización de ejercicios, resolución de problemas y exposición de temas de investigación, en forma grupal o
individual.
El profesor expone y explica los conceptos, ejemplifica mediante ejercicios que él mismo resuelve y en los
laboratorios se fortalecen los conceptos teóricos.
Procedimiento de evaluación
•
•
•
•
•
Ejercicios realizados en clases.
Prácticas de laboratorio reportadas por escrito.
Participaciones
Examen de los contenidos de esta unidad.
La evaluación de las prácticas de laboratorio representarán el 30% de la calificación definitiva. No se asignará
una calificación aprobatoria sin que se haya realizado como mínimo el 80% de las prácticas programadas.
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FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA: Física Moderna
CLAVE:
HOJA: 7 DE 11
No. UNIDAD V NOMBRE: Moléculas y sólidos.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno explicará algunas características de los sólidos, sus propiedades ópticas y eléctricas, así como las
características y aplicaciones de los semiconductores, fotoconductores, transistores y celdas solares en la
ingeniería eléctrica.
No.
TEMA
TEMAS
Enlaces moleculares.
Enlace iónico.
Enlace covalente.
Enlaces de Van der Waals.
Enlace de hidrógeno.
Enlaces sólidos.
Teorías de bandas de sólidos.
Teoría de electrones libres de metales.
Conducción eléctrica en metales, aisladores
semiconductores.
Metales.
5.9.1
Aisladores.
5.9.2
Semiconductores.
5.9.3
Semiconductores con impurezas.
5.9.4
Dispositivos semiconductores.
5.10
5.10.1 La unión p-n.
5.10.2 Transistores unión pnp y npn.
El circuito integrado
5.11
Estrategia didáctica:
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
T
y
1
1
1
1
1
1
1
1
1
HORAS
P
3.0
EC
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
1C, 2C, 3C, 4C, 5C
1
1
1
Realización de ejercicios, resolución de problemas y exposición de temas de investigación, en forma grupal o
individual.
El profesor expone y explica los conceptos, ejemplifica mediante ejercicios que él mismo resuelve y en los
laboratorios se fortalecen los conceptos teóricos.
Procedimiento de evaluación
•
•
•
•
•
Ejercicios realizados en clases.
Prácticas de laboratorio reportadas por escrito.
Participaciones
Examen de los contenidos de esta unidad.
La evaluación de las prácticas de laboratorio representarán el 30% de la calificación definitiva. No se asignará
una calificación aprobatoria sin que se haya realizado como mínimo el 80% de las prácticas programadas.
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FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA: Física Moderna
No. UNIDAD: VI
CLAVE:
HOJA: 8 DE 11
NOMBRE: Superconductividad.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno aplicará los fenómenos de la superconductividad en óxidos metálicos, previa comprensión de sus
propiedades electromagnéticas básicas de los superconductores, para explicar el comportamiento de
propiedades de los mismos.
No.
TEMA
T
6.1
Breve repaso histórico.
1
6.2
Algunas propiedades de los superconductores tipo I.
2
6.3
Superconductores tipo II.
2
6.4
Otras propiedades de los superconductores.
1
6.5
Calor específico electrónico.
1
6.6
La teoría BCS.
1
6.7
Mediciones de la brecha de energía.
1
6.8
Tunelaje (efecto túnel de Josephson).
3.6.8.1 Efecto Josephson de cd.
3.6.8.2 Efecto Josephson de ca.
1
6.9
Superconductividad de alta temperatura.
1
6.10
Aplicaciones.
TERCER EXAMEN PARCIAL ORDINARIO
1
HORAS
P
EC
1.5
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
1C, 2C, 3C, 4C, 5C
Estrategia didáctica:
El profesor expone y explica los conceptos, ejemplifica mediante ejercicios que él mismo resuelve y en los
laboratorios se fortalecen los conceptos teóricos. Se auxilia del pizarrón y de acetatos. Posteriormente el
alumno aplica el conocimiento en la realización de ejercicios, en la resolución de problemas y en la exposición
de temas de investigación, en forma grupal o individual.
Procedimiento de evaluación
• Ejercicios para realizarse en clase y en os laboratorios que deberán entregar los alumnos.
• Participación en actividades individuales y de equipo.
• Examen de los contenidos de esta unidad.
• La evaluación de las prácticas de laboratorio representarán el 30% de la calificación definitiva. No se asignará
una calificación aprobatoria sin que se haya realizado como mínimo el 80% de las prácticas programadas.
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FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA: Física Moderna
No.
Práctica
CLAVE:
Nombre de la práctica
HOJA: 9 DE 11
Relación de Horas
U.
Práctica
Temáticas
.
Lugar de
realización
1
Medida de la velocidad de luz
1
1.5
Laboratorio
2
Interferómetro de Michelson-Morley
1
1.5
Laboratorio
3
Efecto fotoeléctrico.
2
1.5
Laboratorio
4
Espectros Atómicos.
3
1.5
Laboratorio
5
Planck “El quántum de acción” del efecto fotoeléctrico
(la separación de línea por defracción que Rejillas)
3
1.5
Laboratorio
6
Difracción en una abertura y el principio de
incertidumbre de Heisenberg.
3
1.5
Laboratorio
7
Rayos X.
4
1.5
Laboratorio
8
Estructura fina y el espectro de un electrón.
4
1.5
Laboratorio
9
Experimento de Franck Hertz.
4
1.5
Laboratorio
10
Dispersión y rangos de resolución del prisma.
4
1.5
Laboratorio
11
Interferencia de luz.
4
1.5
Laboratorio
12
Anillos de Newton.
4
1.5
Laboratorio
13
Grabación y reconstrucción de hologramas.
5
3
Laboratorio
14
Curvas características de una célula solar.
6
1.5
Laboratorio
15
Amplificación de pequeñas señales por transistores
6
1.5
Laboratorio
16
Construcción de un contador digital
6
3
Laboratorio
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FÍSICO MATEMÁTICAS
ASIGNATURA: Física Moderna
PERÍODO
UNIDAD
1
2
3
I y II,
III y IV,
V y VI.
CLAVE:
HOJA: 10 DE 11
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
70% EXAMEN ESCRITO + 30% EVALUACIÓN DE PRACTICAS DE
LABORATORIO
70% EXAMEN ESCRITO + 30% EVALUACIÓN DE PRACTICAS DE
LABORATORIO
70% EXAMEN ESCRITO + 30% EVALUACIÓN DE PRACTICAS DE
LABORATORIO
No se asignará al alumno una calificación definitiva aprobatoria del curso sin que haya
realizado y reportado satisfactoriamente como mínimo el 80% de las prácticas
programadas.
CLAVE
1
2
B
C
X
X
3
X
4
X
5
6
7
X
X
X
BIBLIOGRAFÍA
Robert Eisberg-Robert Resnick “Física Cuántica” Limusa 1991,
Artur Beiser “Perspectives of modern physsics" McGRAW-HILL 1969, U.S.A
Marcelo Alonso-Edward J. Finn ”FÍSICA” Vol. III Fundamentos Cuánticos y
Estadísticos”, Addison Wesley 1971, México
J. P. McKelvey “Física del Estado Sólido y de Semiconductores” Edit. Limusa
1976,
Donald A. Neamen “Semiconductor Physics and Devices” IRWIN 1992
Acosta Virgilio “Física Moderna”
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS
FÍSICO MATEMÁTICAS
PERFIL DOCENTE POR ASIGNATURA
ASIGNATURA: Física Moderna
CLAVE:
HOJA: 11 DE 11
1. DATOS GENERALES
Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
ESCUELA:
CARRERA:
Ingeniería en Control y Automatización Ingeniería Eléctrica
BÁSICAS
ÁREA:
ACADEMIA:
C. INGENIERÍA
Física.
D. INGENIERÍA
ASIGNATURA:
SEMESTRE:
Tercero
C. SOC. y HUM.
Mecánica Cuántica y Estadística
Licenciatura En Ingeniería o en Ciencias Físico Matemáticas
ESPECIALIDAD Y NIVEL ACADÉMICO REQUERIDO:
2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA:
El alumno explicará y aplicará los conceptos básicos de física moderna no relativista y de la mecánica
estadística, en el análisis de los modelos mecánicos cuánticos que se manejan en los dispositivos
electrónicos de estado sólido, reforzando en cada caso las bases de una actitud critica, racional y
científica.
3. PERFIL DOCENTE:
CONOCIMIENTOS
Mínimo
Licenciatura en la rama
Físico matemático o
ingeniería.
EXPERIENCIA
PROFESIONAL
De preferencia dos años
en la enseñanza superior
o diplomado en docencia
en la enseñanza superior.
HABILIDADES
ACTITUDES
Ejercicio de la crítica
fundamentada.
Respeto.
Para establecer climas
favorables al aprendizaje. Tolerancia.
Compromiso con la
Dos años dentro de su Para transferir el
docencia.
Ética.
profesión
(no conocimiento teórico a la
Responsabilidad.
indispensable).
solución de problemas.
Científica.
Para motivar al estudio al Colaboración.
Superación docente y
razonamiento y a la
profesional.
investigación.
.Motivadora de los valores
De liderazgo ante el grupo. humanos e
institucionales.
.Vocación al servicio.
Para el manejo de:
material didáctico,
Equipo de laboratorio,
Y de software.
Para el manejo de grupos.
ELABORÓ
REVISÓ
AUTORIZÓ
FIS. NUC. MIGUEL F. ROCHA BARAJAS.
ING. GUILLERMO SANTILLAN GUEVARA
DR. ALBERTO CORNEJO LIZARRALDE.
PRESIDENTE DE ACADEMIA
SUBDIRECTOR ACADÉMICO
FECHA:
DIRECTOR DEL PLANTEL
Marzo del 2004