Recinto de Bayamón PRONTUARIO FISI 3312 Departamento de Ciencias Naturales y Matemáticas

UNIVERSIDAD INTERAMERICANA DE PUERTO RICO
Recinto de Bayamón
Departamento de Ciencias Naturales y Matemáticas
PRONTUARIO FISI 3312
I.
INFORMACIÓN GENERAL
Titulo del Curso
:
FÍSICA PARA INGENIEROS II
Semestre
Código y Número
Créditos
Requisitos
:
:
:
:
2005-10
Horas de Contacto
:
45 horas de conferencia y
45 horas de laboratorio
FISI 3312
4
FISI 3311 Y MATE 2252
II DESCRIPCIÓN
La ley de Coulomb, campo eléctrico, potencial eléctrico, capacitancia y materiales
dieléctricos. La ley de Ohm, leyes de Kirchhoff, campos magnéticos, inducción
electromagnética, circuitos de corriente alterna y ondas electromagnéticas.
III. OBJETIVOS
A. Terminales
1. Usar leyes y principios básicos de la electricidad para describir cualitativa y
cuantitativamente la interacción entre partículas cargadas.
2. Utilizar el concepto de campos eléctricos para explicar la acción a distancia.
3. Utilizar líneas de campo eléctrico para dibujar patrones de campo eléctrico de
distribuciones discretas y continuas.
4. Discutir la conexión entre los conceptos de flujo eléctrico y líneas de campo
con la ley de Gauss.
5. Discutir las interacciones entre partículas cargadas utilizando conceptos de
trabajo y energía.
6. Discutir las propiedades de sistemas constituidos por dos conductores
separados por dieléctricos cuando el sistema es conectado a las terminales de
una batería.
7. Discutir el cambio en el estado de movimiento de portadores de carga en
materiales en términos de fuerzas experimentadas por los portadores de carga
debidas a campos eléctricos establecidos dentro del material por baterías.
8. Discutir el cambio en el estado de movimiento de portadores de carga debido
a una diferencia en del estado energético de los portadores de carga en
1
diferentes puntos del material causado por fuentes que realizan trabajo sobre
los portadores de carga.
9. Discutir el comportamiento macroscópico del movimiento de cargas y de los
diferentes fenómenos observados utilizando argumentos de trabajo y energía.
10. Analizar circuitos utilizando la ley de ohm y las leyes de conservación de
carga y energía.
11. Discutir las características de carga y descarga de capacitares en circuitos de
corriente directa.
12. Discutir el efecto de campos magnéticos sobre partículas cargadas y en
alambres que llevan corriente.
13. Discutir aplicaciones de campos eléctricos y magnéticos en la ciencia y en la
tecnología.
14. Discutir las fuentes de campos magnéticos y los métodos operacionales para
determinarlos.
15. Discutir el fenómeno de inducción electromagnética y sus aplicaciones en la
ciencia y en la tecnología.
16. Discutir las leyes que rigen el comportamiento de todos los fenómenos
electromagnéticos y sus implicaciones.
17. Discutir las oscilaciones de campos eléctricos en capacitares y campos
magnéticos en inductores con y sin resistores y fuentes de corriente alterna.
18. Discutir la analogía entre oscilaciones electromagnéticas y las oscilaciones
mecánicas.
19. Analizar circuitos de corriente alterna.
20. Discutir el concepto de ondas, las ondas mecánicas y las ondas
electromagnéticas señalar sus similitudes y diferencias, como estas ondas son
generadas y su importancia en la ciencia y la tecnología.
21. Explicar las manifestaciones características del movimiento ondulatorio.
B. Capacitantes
B-1.
1. Aplicar la ley de Coulomb y el Principio de Superposición para realizar cálculos
vectoriales de la fuerza que distribuciones discretas de cargas puntuales ejercen
sobre cargas de prueba puntuales
2. Enumerar las características de las interacciones entre partículas cargadas.
3. Distinguir entre materiales aislantes y materiales conductores
4. Explicar la ley de Coulomb
5. Explicar la ley de conservación de la carga
B-2.
1. Calcular campos eléctricos de distribuciones de cargas discretas y continuas
2. Enumerar las reglas para dibujar líneas de campo eléctrico
3. Describir la relación entre líneas de campo eléctrico y el vector de campo
eléctrico
4. Calcular torques experimentados por dipolos en campos eléctricos
5. Calcular la energía potencial asociada con dipolos en campos eléctricos
2
6. Calcular la fuerza eléctrica entre distribuciones continuas y cargas de prueba
puntuales
B-3.
1. Aplicar la ley de Gauss para calcular campos eléctricos debidos a distribuciones
de carga continua con alto grado de simetría
2. Discutir las características de conductores cargados en equilibrio electroestático
B-4.
1. Calcular la energía potencial eléctrica de distribuciones de cargas discretas
2. Calcular el potencial eléctrico debido a distribuciones de cargas discretas y
continuas
3. Emplear la expresión del potencial eléctrico debido a cierta distribución de carga
para obtener la expresión del campo eléctrico correspondiente a la misma
distribución
B-5.
1. Aplicar la ley de Gauss y expresiones integrales que definen al potencial eléctrico
para encontrar expresiones algebraicas de la capacitancia de capacitores con alto
grado de simetría
2. Calcular la capacitancia equivalente de capacitores conectados en serie y en
paralelo
3. Calcular la energía almacenada y/o la carga en capacitores de placas paralelas
cuando se conoce la diferencia de potencial entre las placas del capacitor
equivalente
B-6.
1. Calcular resistencias y resistividades de materiales a diferentes temperaturas
2. Aplicar la ley de Ohm
3. Calcular corrientes, densidades de corriente, y potencia en circuitos eléctricos de
una vuelta
B-7.
1. Calcular resistencias internas, voltajes terminales y resistencias equivalentes
2. Calcular corrientes, resistencias y fem en circuitos multi-malla
3. Explicar el funcionamiento del galvanómetro de D’Arsonval
4. Explicar el funcionamiento de amperímetro y del voltímetro
5. Calcular la constante de tiempo capacitiva de circuitos RC
B-8.
1. Explicar el efecto Hall
2. Explicar los principios básicos de algunos aceleradores de particulas
3. Explicar los principios básicos del funcionamiento del espectrómetro de masa
4. Explicar el funcionamiento del tubo de rayos catódicos
5. Resolver problemas relacionados con el efecto Hall, aceleradores de particulas y
el espectrómetro de masa.
6. Calcular fuerzas y torques sobre alambres y espiras que llevan corrientes cuando
se encuentran inmersas en regiones donde hay campos magnéticos
B-9.
1. Aplicar la ley de Biot y Savart y la Ley de Ampere para el cálculo de campos
magnéticos debidos a varias distribuciones de corriente.
2. Calcular fuerzas entre alambres que llevan corriente
3
B-10.
1. Explicar la ley de inducción de Faraday y como la fuerza electromotriz puede ser
generada
2. Explicar la ley de Lenz y sus implicaciones
3. Aplicar la ley de Faraday y la ley de Lenz
4. Calcular inductancias propias, inductancias mutuas, constantes de tiempo
inductivas, corrientes instantáneas en circuitos RL y energía almacenada en
inductores
5. Aplicar la ecuación de los transformadores
B-11.
1. Explicar semiclasicamente las razones del momento angular intrínsico y el
momento angular orbital del electrón
2. Explicar los tres tipos de magnetismo: diamagnetismo, paramagnetismo y
ferromagnetismo
3. Explicar lo que es un dominio magnético
4. Explicar el significado de la corriente de desplazamiento de Maxwell
B-12.
1. Calcular corrientes máximas en bobinas y cargas máximas en capacitares usando
la ley de conservación de energía
2. Indicar cuales son los equivalentes mecánicos de las oscilaciones de los campos
eléctricos y magnéticos con las oscilaciones mecánicas simples, amortiguadas y
forzadas.
3. Calcular corrientes, voltajes, ángulos de fase e impedancias en circuitos de
corriente alterna usando fasores
4. Trazar las curvas de corriente y voltaje de capacitores e inductores cuando son
conectados fuentes de corriente alterna
5. Calcular valores rms de corrientes y voltajes
6. Calcular frecuencia resonante y potencia media en circuitos RLC
B-13.
1. Usar representaciones matemáticas de ondas y pulsos viajeros juntamente con el
principio de superposición para predecir resultados experimentales sobre
interferencia, ondas estacionarias y pulsaciones
2. Explicar el efecto Doppler
3. Calcular efectos en la frecuencia debido a movimientos relativos entre fuente y
observador
B-14.
1. Calcular energía transportada y momento lineal de las ondas electromagnéticas
2. Aplicar las leyes de Maxwell para demostrar que en una onda electromagnética
en el vacío la razón entre la amplitud del campo eléctrico y la amplitud del campo
magnético es igual a la rapidez de propagación de la luz en el vació
3. Aplicar las leyes de reflexión y refracción
4. Aplicar la ley de Brewster
5. Explicar las razones de la dispersión cromática
4
IV. CONTENIDO DEL CURSO
A. Electricidad y Magnetismo
A1.
Electricidad: 9H
1.
La Carga Eléctrica
a. la carga eléctrica
b. aislantes y conductores
c. ley de Coulomb
d. cuantización y ley de conservación de la carga
2.
Campos Eléctricos
a. el campo eléctrico
b. líneas de campo eléctrico
c. campo eléctrico debido a una carga puntual
d. campo eléctrico debido a un dipolo eléctrico
e. campo eléctrico debido a una distribución continua de
carga
f. dipolo en un campo eléctrico
3.
Ley de Gauss
a. flujo eléctrico
b. ley de Gauss
c. conductores en equilibrio electroestático
d. aplicaciones de la ley de Gauss
4
Potencial Eléctrico
a. energía potencial eléctrica
b. potencial eléctrico
c. superficies equipotenciales
d. calculo del potencial eléctrico debido a distribuciones
discretas y continuas
e. calculo del campo eléctrico a partir del potencial
eléctrico
f. potencial eléctrico de un conductor aislado cargado
5.
Capacitancia y Capacitores
a. definición de capacitancia
b. calculo de la capacitancia
c. combinaciones de condensadores
d. energía almacenada en un condensador cargado
e. capacitores con dieléctrico
f. descripción atómica de los dieléctricos
g. dieléctricos y la ley de Gauss
5
(nota: Estos temas deben de haber sido cubiertos en 9 horas de conferencia)
6.
Corriente y Resistencia
a. corriente eléctrica y densidad de corriente
b. resistencia, resistividad y la ley de Ohm
c. modelo de conducción eléctrica
d. energía eléctrica y potencia
e. semiconductores y superconductores
7.
Circuitos de Corriente Continua
a. trabajo, energía y fuerza electromotriz
b. resistencias en serie y en paralelo
c. reglas de Kirchhoff y ejemplos de aplicación
d. el amperímetro y el voltímetro
e. circuitos RC
A2.
Magnetismo
9.
Campos magnéticos
a. fuerza magnética
b. el osciloscopio, el efecto Hall, el selector de
velocidades, el espectrómetro de masas y el ciclotrón
c. fuerza magnética sobre un conductor que lleva corriente
d. torque sobre una espira de corriente
e. dipolo magnético
9.
Campos Magnéticos Debidos a Corrientes Eléctricas
a. ley de Biot-Savart y cálculo de campos magnéticos
b. fuerza magnética entre dos conductores largos paralelo
c. ley de Ampere y aplicaciones
d. dipolo magnético
e. campo magnético a lo largo del eje de una bobina
(nota: Estos temas deben de haber sido cubiertos en 12 horas de conferencia)
10.
Inducción e Inductancia
a. ley de inducción de Faraday
b. ley de Lenz
c. inducción y transferencia de energía
d. campos eléctricos inducidos
e. inductores e inductancias
f. inducción propia
g. circuitos RL
h. energía almacenada en un campo magnético
i. inducción mutua
6
11.
Ecuaciones de Maxwell
a. flujo magnético
b. ley de Gauss del magnetismo
c. momento angular intrínsico de un electrón
d. propiedades magnéticas de la materia
e. campos magnéticos inducidos
f. corriente de desplazamiento y la generalización de la ley
de Ampere
g. ecuaciones de Maxwell
12.
Oscilaciones Electromagnéticas y Circuitos de Corriente Alterna
a. oscilaciones LC
b. oscilaciones amortiguadas en circuitos RLC
c. corriente alterna y fasores
d. oscilaciones forzadas
e. circuitos de corriente alterna
f. potencia en circuitos de corriente alterna
g. transformadores
h. condición para máxima transferencia de potencia
(nota: Estos temas deben de haber sido cubiertos en 12 horas de conferencia)
B.
Ondas
13.
Ondas Mecánicas:
a. tipos de ondas
b. ondas viajeras
c. velocidad de las ondas sobre cuerdas
d. principio de superposición
e. interferencia de ondas
f. ondas estacionarias y resonancia
g. ondas sonoras
h. rapidez de las ondas sonoras
i. interferencia de ondas sonoras
j. intensidad y nivel de intensidad
k. pulsaciones
l. efecto doppler
14.
Ondas Electromagnéticas
a. energía transportada y el vector poynting
b. momento y presión por radiación
c. polarización
d. reflexión y refracción
e. reflexión total interna
7
f. polarizacion por reflexión
g. ley de Brewster
V
LABORATORIOS
Práctica
Instrumentación (El multímetro Digital)
Líneas de campo eléctrico y superficies equipotenciales
Ley de Ohm resistencias equivalentes y el puente de Wheaston
Repaso Primer Examen Parcial
El Voltímetro
El Amperímetro
El Osciloscopio
Repaso del Examen de Medio Término
Circuitos RC
Sistema Eléctrico Residencial
e/m: Relación carga/masa del Electrón
Ondas Estacionarias en una Cuerda
Repaso del Examen Final
VI.
EVALUACION DEL LABORATORIO
Asistencia y participación: 60%
Reporte:
40%
CURVA:
100
84
74
64
54
-
85
75
65
55
0
A
B
C
D
F
Se le tomara al estudiante cuatro exámenes parciales y un examen final total.
La evaluación de los exámenes parciales se realizara de la siguiente manera: se realizaran cuatro
exámenes de los cuales el estudiante eliminara la nota más baja sin poder eliminar la nota del
cuarto examen parcial. Si el estudiante aprueba los tres primeros exámenes parciales con nota
8
mayor o igual a 70 %, la nota más baja se le eliminará y a las dos notas restantes de los tres
primeros exámenes se les dará una bonificación de 10 puntos adicionales sin que la nota exceda
100 %.
VII.
EVALUACION DEL CURSO:
La evaluación del desempeño de los estudiantes se divide en tres partes principales, exámenes,
laboratorio, y actividades educativas, cuyo peso porcentual está expuesto a continuación. Cada
parte a su vez se desglosa en varias actividades.
a.
b.
c.
Exámenes
Exámenes Parciales
Exámenes Departamentales
Laboratorio
Informes de laboratorio
60%
30%
30%
20%
20%
Actividades Educativas
Problemas de las asignaciones (PA)
Sistema de Calificación
A
B
C
D
F
100
84
74
64
54
-
20%
85
75
65
55
<
Nota del Curso = (Ex Parciales)x(0.30)+(Ex Dep.)x(0.30)+(Lab)x(0.20)+(PA)x(0.20)
VIII.
RECURSOS Y MATERIALES
Libro de texto:
Halliday D., Resnick R., Walker J. (2005). Fundamentals of Physics (7th Ed.). John Wiley &
Sons,Inc.
Durante el curso el profesor podrá utilizar recursos audiovisuales tales como:
 transparencias
 discos compactos con simulaciones, animaciones y videos
9
 software Interactive Physics
disponibles en nuestro Departamento de Ciencias y Matemáticas.
Además de utilizar las técnicas tradicionales de enseñanza en física tales como conferencia y
laboratorio, se utilizarán las siguientes técnicas de aprendizaje innovadoras:
1.
Peer Instruction (PI)5-7
PI consiste en combinar la conferencia con preguntas conceptuales tipo selección múltiple,
llamados Concept-Tests, diseñados con el propósito de exponer dificultades comunes en el
entendimiento del material. Los estudiantes tienen dos minutos para pensar, escoger la respuesta
individualmente y hacerla llegar al profesor; luego tienen dos minutos para convencer a sus vecinos
de que su respuesta es correcta (en grupos de 3 a 4 personas) hasta llegar a un consenso. Envían la
respuesta revisada al profesor, y finalmente se discute la respuesta correcta. Si el percentil de
respuestas correctas es muy bajo (por ejemplo, menos de 80%) el profesor repite el material con
más detalle y vuelve a impartir otro Concept-Tests. Esta técnica se clasifica como “aprendizaje por
colaboración” o “instrucción mediante pares”.
Los estudiantes utilizarán un transmisor (control remoto) PRS (Personal Response System) para
enviar sus contestaciones. La respuesta de los estudiantes es transmitida a la computadora del
profesor, y un resumen estadístico de las respuestas es mostrado en un histograma.
2.
Interactive Lecture Demonstrations (ILD)8
Las demostraciones ILD han sido desarrolladas en temas críticos en donde los estudiantes
usualmente tienen concepciones erróneas que dificultan su entendimiento de la física. En estas
actividades los estudiantes reciben dos hojas de trabajo idénticas preguntándoles lo que sucederá en
cada demostración. Se le solicita al estudiante que dibuje o escriba en la primera hoja (Hoja de
Predicción) su predicción. Entonces discuten sus predicciones con sus vecinos por dos minutos.
Hay una corta discusión en clase comparando diferentes predicciones. Finalmente, el profesor hace
la demostración y discute con los estudiantes el porqué algunas de las predicciones no funcionaron.
Los estudiantes escriben en la segunda hoja (Hoja de Resultados) los resultados, la que conservarán
para estudiar. La Hoja de Predicciones es entregada al profesor. Las Hojas de Predicciones orientan
al profesor acerca de las concepciones erróneas de los estudiantes y de cómo refinar su intuición.
Referencias:
a. Halliday D., Resnick R., Walker J. (2003). Fundamentals of Physics (6th Ed.). John Wiley
& Sons,Inc.
b. Serway R.A., Beichner R. J. (2002) Physics for Scientists and Engineers (5th Ed.). McGraw
Hill
c. Young H. D., Freedman R. A. ( 2004). Sears and Zemansky’s University Physics with
Modern Physics(11th Ed.) , Addison Wesley
Revisado: Agosto 2006
10