Física clásica y moderna

Física 1° Semestre
Física: es una de las ciencias naturales que estudia la materia, la energía y las relaciones entre ambas.
Física clásica: es una expresión que normalmente se refiere a estudios realizados hasta finales del siglo XIX,
acerca de la mecánica, la luz, el calor, el sonido, la electricidad y el magnetismo.
Teoría de la mecánica cuántica: es la cual estudia el comportamiento de partículas y sistemas microscópicos
como las moléculas, los átomos y sus componentes.
Teoría de la física relativista: misma que estudia el movimiento de objetos a velocidades cercanas a la luz, y
el efecto de estas velocidades sobre la masa, la longitud, el tiempo y la energía.
*en la mecánica cuantica como en la física relativista en ninguna de las dos se pueden efectuar mediciones
directas.
*por E = mc² en donde E representa la energía, de un objeto de cierta, masa (m) y (c), la velocidad de la luz.
Física moderna: esta derivación de la física se considera a partir de la teoría de la relatividad y de la teoría
cuantica en la descripción de sistemas microscópicos como los átomos, moléculas, etc.; y una compresión de
tallada de los sólidos, líquidos y gases.
* Con excepción de los fenómenos en el mundo microscópico y el movimiento de partículas a velocidades
próximas a la de la luz, la física clásica describe adecuadamente el restote nuestro mundo físico. Los
fenómenos que se estudian en las diferentes ramas de la física s relacionan entre si, mediante un pequeño
numero de principios básicos (leyes generales).
* Estos principios básicos pueden ser abortados en el estudio del movimiento de los cuerpos y prolongarse
después a las demás áreas de la Física.
* Por ejemplo, los descubrimientos en el campo de la electricidad, produjeron una gran revolución en la
transportación terrestre, aérea y marítima.
*En el desarrollo histórico de la física se contemplan tres ideas primordiales
• la idea de orden, desarrollada por Aristóteles, predomino hasta el siglo XVI, es decir, en la antigüedad la
ciencia consistía en ordenar las cosas.
• la ideas de una causa mecánica surge a partir de Galileo y Newton; aquí la ciencia paso a ser la búsqueda
de la causa mecánica de los fenómenos observables. Esta idea predomino en los siglos XVII, XVIII y XIX,
ala física basada en ella se le conoce como física clásica.
• la idea de un comportamiento probabilístico, se desarrollo a partir del inicio de este siglo y señala como
concepto primordial la probabilidad de que la materia, a nivel microscópico, tiene cierto comportamiento.
Junto a esta idea se consideran las variaciones de algunas cantidades, cuando las partículas se mueven a
velocidades cercanas a la luz. Estas cantidades (longitud, masa, tiempo, etc.) eran invariables en la física
clásica.
Modelo Aristotélico
♦ Aristóteles, trato de dar alguna explicación a cada uno de los aspectos importantes de la
naturaleza y de la vida. Por ello, recopilo y ordeno toda la información necesaria disponible.
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♦ Aristóteles planteo su concepción del mundo, la cual consta de cuatro elementos
superpuestos, dentro de la esfera sublunar, a saber: tierra, agua, aire y fuego, y agrega un
quinto elemento, el éter para las regiones superiores en donde, se encontraban los planetas y
las estrella.
♦ Aristóteles llamaba movimiento natural al que realizaba un objeto para regresara su
estado natural (el reposo).
♦ La teoría aristotélica empezó a tener contradicciones al explicar algunos problemas típicos de
la época.
El Modelo Clásico (Mecanista o Newtoniano)
• En el Renacimiento se genero un gran desafió total a la concepción que los aristotélicos daban al
universo (teoría geocéntrica), encontrándose su máxima expresión en Nicolás Copernico
(1473−1543), quien estableció su teoría heliocéntrica (el Sol en el centro del universo), en la cual al
Tierra, junto con los otros planetas, gira alrededor del Sol.
• Galileo, sentó las bases de esta revolución científica al proponer que todo conocimiento de la
naturaleza debería establecerse por la experimentación, reproduciendo el fenómeno de manera
controlada (midiéndola y cuantificándola).
• Johannes Kepler (1571−1630) demostró que los planetas giran describiendo una elipse y que el sol se
encuentra en uno de los focos. A su vez Galileo Galilei (1564−1642) mostró argumentos, con base en
las observaciones hechas del Sol, a favor del movimiento de la Tierra.
• En este proceso participaron los más grandes talentos de la época, la cual culmina con la formulación
de los Principios Matemáticos de la Filosofía Natural de Isaac Newton. En esta obra es considerada
como un tratado mecánico−matemático, que represento la base para el desarrollo de la estructura de la
física y de la ciencia en general. La contemplación Aristotélica cedió su lugar a las causas mecánicas
de Newton.
• En los trabajos de Newton se llega pro inducción, de los casos particulares a las leyes generales, y de
estas, por deducción, a casos particulares. Mediante este procedimiento logro establecer la Ley de la
Gravitación Universal.
Modelo De La Física Moderna
• A finales del siglo XIX era una creencia común que todos los fenómenos naturales podían describirse
mediante las leyes de Newton, los principios de la Termodinámica y las leyes del electromagnetismo,
las cuales de basaban en una concepción mecanista del Universo.
• El desarrollo de la Física Moderna se da a partir del inicio del Siglo XX demostrando que la Mecánica
Clásica no es siempre aplicable.
• El estudio del movimiento de partículas, a velocidades comparables a la de la luz, y la investigación
del mundo microscópico de los átomos, electrones, protones, y otras partículas, impulso el desarrollo
de algunos campos de al Física Moderna, como son la Relatividad y la Mecánica Cuantica.
• La teoría de la Relatividad fue desarrollada por Albert Einstein (1879−1955). A partir de la cual llego
a establecer algunas proposiciones teóricas, que fueron demostradas experimentalmente tiempo
después.
• Una tercera aportación de la teoría de la Relatividad es que la luz se desvía de su trayectoria al pasar
junto a cuerpos de gran masa.
Método Científico
* El conocimiento científico es sistemático, y se enuncia mediante proposiciones dispuestas jerárquicamente,
en donde las de nivel mas bajo a hechos particulares y las de mas alto nivel a las leyes que gobiernan el
universo.
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* La herramienta que utiliza la ciencia para comprender las relaciones funcionales entre las cosas, con el
mayor apego a la realidad, es el método científico
El Método Científico nos conduce a la adquisición de un conocimiento científico y consta
primordialmente de tres etapas:
• La primera consiste en observar o investigar y describir los hechos.
• la segunda es plantearse una o varias preguntas o problemas, es decir, postular hipótesis o proponer
modelos, que busquen explicar los hechos u observaciones antes mencionadas.
• la tercera es diseñar experimentos para probar la o las hipótesis o modelos, para aceptar, rechazar o
modificar cada uno de los modelos o hipótesis.
Sistema De Unidades
Cantidad Física: es todo aquello que puede ser medido y que tiene una representación en el mundo real.
Ej. Longitud, masa, volumen, velocidad, etc.
* Para efectuar la medición de alguna cantidad física, primero debemos fijar, de manera arbitraria o
convencional, nuestra unidad o patrón de medida.
Unida o Patrón: es toda magnitud de valor conocido y perfectamente definido que se toma cuando como
referencia para medir y expresar el valor de otras magnitudes de la misma especie.
Medición: es una descripción cuantitativa de dicha cantidad, mediante la asignación de un número.
* Las cantidades físicas pueden ser escalares o vectoriales
Cantidades Escalares: son aquellas que solo tienen magnitud (número y unidad)
Cantidades Vectoriales: son las magnitudes que poseen dirección y sentido.
* Las cantidades vectoriales se representan gráficamente, por medio de segmentos de rectas terminados en
punta de flecha, donde el tamaño del segmento indica su magnitud, su posición y su dirección, y la punta de
flecha el sentido.
Los científicos deben de estar de acuerdo en un conjunto de unidades con el cual se comparen las mediciones
y se eviten confusiones. Esto trajo como consecuencia un acuerdo internacional llamado Sistema
Internacional o Unidades SI.
Unidad 2
Equivalencias
• en virtud de la existencia de diferentes unidades (múltiplos y submúltiplos)
• prefijos y sus símbolos usados para designar múltiplos y submúltiplos decimales
Ejemplos:
• obtener la equivalencia del m.² en cm. ²
1m. = 100cm.
3
(1m. ²) = (100cm.²)
1m. ² = 10000cm. ²
Factor de Conversión
• A partir de una equivalencia se obtienen dos factores de conversión, que se forman al dividir ambos
lados de la igualdad, por uno de los términos de la equivalencia.
Conversión de unidades
Ejemplo 1 Ejemplo 3
Convertir 13200m. A Km. Expresar 4.8m. ² en cm.²
Ejemplo 2 Ejemplo 4
Convertir 120km/h a m/s Convertir 4800dm. A m.
Unidad 3
Gráficos
• La dirección positiva del eje X es hacia la derecha, y la dirección positiva de Y es hacia arriba.
• Observación: los segmentos del eje X no necesariamente son iguales a los del eje Y, por otro lado el
tampoco es siempre cero, ni las subdivisiones de magnitud unitaria, además en muchos de los casos
los valores que utilizaremos para hacer la grafica serán positivos por lo tanto en estos casos
únicamente utilizaremos el primer cuadrante.
Distancia y Desplazamiento
• La distancia recorrida por un móvil es una cantidad escalar, ya que solo representa la magnitud de la
longitud real de su trayectoria. Por ejemplo, si una persona recorre 4 Km., no importa si lo hace
dando vueltas a una pista o si recorre 2km. De ida y 2 Km. De vuelta, la distancia recorrida es de 4
Km.
• El desplazamiento realizado por un móvil es una cantidad vectorial que corresponde a la distancia
medida en línea recta entre los puntos, inicial y final del recorrido, en una dirección particular.
Por ejemplo, si una persona camina 4 Km. Hacia el este, si al graficar este desplazamiento, se observa
que su magnitud es de 4 Km. Y su dirección es hacia el este.
Rapidez Media y Velocidad Media
Rapidez
• Es una cantidad escalar que se define como el cociente entre la distancia total recorrida por este y el
tiempo transcurrido, o sea
= distancia/tiempo r = s/t
Velocidad
• Es una cantidad vectorial que se define como el cociente entre el desplazamiento realizado por este y
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el tiempo transcurrido
= desplazamiento/tiempo r = s/t
* La magnitud del desplazamiento es igual a la distancia; a su vez, la magnitud de la velocidad media es igual
a la rapidez media.
Rapidez y Velocidades Instantáneas
• Si desea determinar la velocidad instantánea habrá que agregarle a la rapidez instantánea, la dirección
en la que se desplaza el móvil en ese punto de la trayectoria.
Unidad 4
Movimiento Rectilíneo Uniforme
• Si un objeto recorre la misma distancia en cada unidad sucesiva de tiempo, se dice que se mueve con
una rapidez constante o uniforme.
Por ejemplo: si un tren recorre 16 m. cada segundo, independientemente que se vía recta o en curva mantiene
una rapidez constante. Si aparte de recorrer 16m. Cada segundo, lo hace en una vía recta, entonces también
mantiene una velocidad constante.
• Se deduce que un objeto a velocidad constante o uniforme, si al moverse en línea recta recorre la
misma distancia en intervalos iguales sucesivos de tiempo.
• Un objeto tiene un movimiento rectilíneo uniforme (M.R.U.), si se desplaza a velocidad constante o
uniforme.
• Al efectuar la grafica posición Vs. Tiempo resulta una línea recta, cuyo valor de su dependiente
representa la magnitud de la velocidad. Para calcular la velocidad se usa la formula v = s/t en donde,
como ya se dijo, la dirección de la velocidad y la del desplazamiento son iguales a la dilección del
movimiento.
Ejemplo.
Un automóvil se desplaza a una velocidad constante de 80 Km./h. efectuar la grafica de la posición contra
tiempo.
Tabulador
S (Km.)
T (H.)
0
0
20
1/4
40
1/2
60
3/4
80
1
Cálculos:
S = (80km/h) (0H.) = 0 Km. S = (80km/h) (1/4H.) = 20 Km.
S = (80km/h) (1/2H.) = 40 Km. S = (80km/h) (3/4H.) = 60 Km.
S = (80km/h) (1H.) = 80 Km.
Unidad 5
5
Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado
Aceleración: es el cambio de la velocidad en un intervalo de tiempo
• Si el cambio en la velocidad es el mismo, en unidades de tiempo sucesivas, se dice que el objeto se
mueve con aceleración constante o uniforme.
• Un objeto tiene un movimiento uniformemente acelerado si se mueve con aceleración constante o
uniforme. En este caso se considera como positiva la dirección del movimiento, de tal forma que si el
objeto aumenta su velocidad, la aceleración es positiva y si disminuye, la aceleración es negativa,
si la velocidad permanece constante, la aceleración es igual a cero.
Ejemplos.
Unidad 6
Caída Libre y Tiro Vertical
Caída Libre
• Un cuerpo describe un movimiento de caída libre, si se mueve libremente, es decir, se desprecia el
efecto de la fricción del aire sobre el, y describe una trayectoria vertical hacia abajo.
• En ausencia de la fricción del aire, todos los cuerpos, grandes o pequeños, caen con la misma
aceleración.
• La velocidad hacia abajo tendrá signo negativo y la altura del punto de partida tendrá también signo
negativo.
Ejemplo 1
Accidentalmente cae una plomada desde lo alto de un edificio de 72 m. de altura ¿Cuál es el tiempo que tarda
la aplomada en chocar contra la banqueta de la calle?
Solución:
− h = gt ²/2 s obtiene t = "2h/g
Sustituir los datos
• t = "2 (−72m) / −9.8m/s ² = "14.69s² = 3..83s
Tiro Vertical Hacia Arriba
• En el tiro vertical hacia arriba se desprecia la fricción del aire.
• En este movimiento se lanza verticalmente hacia arriba un objeto observándose que la magnitud de su
velocidad va disminuyendo de manera proporcional hasta detenerse, al alcanzar el punto más alto.
• Inmediatamente inicia su movimiento de regreso, incrementándose su velocidad en la misma
proporción, hasta alcanzar la magnitud con que fue lanzado, de tal forma que la magnitud de la
velocidad da lanzamiento es igual a la magnitud de la velocidad de llegada al plano de lanzamiento.
Este movimiento es vertical y se produce bajo la acción de la gravedad como se puede observar en la
siguiente figura.
• Velocidad en el punto más alto es nula.
Ejemplo 1
6
• Se lanza una pelota verticalmente hacia arriba, regresando en un tiempo de 3.60s. ¿Cuánto tiempo
tardo para alcanzar el punto mas alto? ¿Cuál es la altura máxima que alcanza?
Datos:
−t. (total) = 3.60s.
g. = −9.8m. /s.²
Solución:
t. (total) = t./2 = 3.60s./2 = 1.8s.
−v = vo + gt
−ya que la velocidad en el punto mas alto es cero, y despejando vo, resulta que
− vo = −gt
− vo = −(−9.8m./s.²) (1.8s.)
− vo = 17.64m./s:²
Glosario
La Mecánica se define como la rama de la física que estudia los estados y movimientos de los cuerpos
materiales. Se divide en:
Cinemática. Describe matemáticamente el movimiento de los cuerpos o los diferentes tipos de
movimientos al margen de sus causas.
Dinámica. Estudia las causas que producen el movimiento y sus cambios o las causas que hacen cambiar
los movimientos. Esta a su vez se divide en estática y cinética.
Mecánica cuantica
Relatividad
Física del plasma
Física Nuclear
Física del estado sólido
Termodinámica
Mecánica
Óptica
Acústica
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Electromagnetismo
Moderna
Clásica
Física
Ejemplos: longitud, masa, tiempo, carga eléctrica, corriente eléctrica, la candela
Derivadas: se forman a partir de las fundamentales.
Fundamentales: son aquellas que se seleccionan de manera arbitraria i que no se definen en función de otras
magnitudes físicas.
Unidades
Ejemplos: velocidad, aceleración, fuerza, impulso, cantidad de movimiento, peso, etc.
Cantidades Escalares
Tiempo, Masa, Longitud, Temperatura, Distancia, Rapidez, Trabajo, Energía y Potencia
Cantidades Vectoriales
Desplazamiento, Velocidad, Aceleración, Fuerza, Peso, Impulso y Cantidad de Movimiento.
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