Disciplina Fisica - Universidad de La Habana
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MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR CENTRO RECTOR UNIVERSIDAD DE LA HABANA PLAN DE ESTUDIOS "D" CARRERA DE QUÍMICA DISCIPLINA: FÍSICA CURRÍCULO BASE HORAS TOTALES: 288 h _________________________________________________________________________ Asignatura Año Académico Semestre Horas Eval _________________________________________________________________________ Mecánica 1 2 96 EF Electromagnetismo 2 1 96 NO Óptica y Física Moderna 1 2 96 NO __________________________________________________________________________ FUNDAMENTACIÓN DE LA DISCIPLINA La Física es una de las ciencias naturales más importantes para la comprensión por el hombre del mundo que lo rodea y para su transformación en beneficio de la sociedad. El objeto de estudio de la Física ha ido cambiando con el transcurso del tiempo pero siempre se ha caracterizado por tratar de comprender cómo ocurren las cosas en el mundo natural y a estudiar las formas más elementales y generales del movimiento de la materia (s, térmicas, electromagnéticas, etc.), que son parte integrante de las otras formas de movimiento superiores y más complejas como el movimiento químico, biológico, etc. La Física es una ciencia experimental que depende mucho de la observación y de la medición. En sus investigaciones los físicos utilizan instrumentos y equipos de gran poder y alta sensibilidad para extender al máximo el alcance de nuestros sentidos y poder estudiar fenómenos naturales inaccesibles a ellos. El carácter experimental de la Física puede aplicarse a otras ciencias como la Química y la Biología, pero se diferencia de éstas en la magnitud de su alcance y en su profundo interés por los principios generales y fundamentales. Así, la investigación en Física se relaciona con las propiedades más generales de la materia y sus leyes abarcan desde la escala subnuclear (del orden de 10-15 m para el radio efectivo del protón) hasta las grandes distancias intergalácticas (unos 1025 m hasta las galaxias más lejanas observables en la actualidad). Basados en una convicción profunda sobre el carácter cognoscible del Universo y la interrelación entre todos los objetos y procesos de la naturaleza, ha sido siempre un objetivo de primer orden para los físicos, la búsqueda de teorías generales que abarquen al mayor número de fenómenos a las escalas más amplias posible. Así, se destaca, por ejemplo, la atención que recibe actualmente el establecimiento de las Teorías de Gran Unificación y de una Teoría Cuántica de la Gravedad Es difícil en ocasiones decidir si el análisis de un problema determinado pertenece a la Física o a otra ciencia y por ello han surgido ciencias de frontera como la Biofísica, la Química-física, 1 la Astrofísica y tantas otras. La descripción de los sistemas materiales y la predicción de su comportamiento en una situación dada es una de las finalidades de la Física. El éxito de estas predicciones está condicionado siempre por la concordancia con los resultados experimentales. El tener que dar respuesta no sólo a las preguntas cómo y por qué, sino también a cuánto o en que medida, hace que la Matemática sea una herramienta fundamental para los físicos. Esto permite expresar las leyes y teorías físicas mediante estructuras que faciliten su análisis e interpretación. En toda la historia de esta ciencia, los físicos se han interesado en dar uso práctico a los principios y leyes formuladas por ellos. Desde el reloj de péndulo, pasando por la radio y la televisión, hasta los Circuitos integrados, se han entregado resultados a la ingeniería para su perfeccionamiento y explotación masiva. El desarrollo de las demás ciencias naturales, entre ellas la Química, ha estado basado en gran medida en los logros de la Física y en sus aportes a la comprensión del mundo que nos rodea. En consecuencia, el objetivo más importante del estudio de la Física para un estudiante de ciencias naturales está relacionado con dos aspectos fundamentales: el papel de la Física en la adquisición de una concepción científica del mundo y la forma en que la Física es capaz de abordar y resolver un problema científico en base a unos cuantos principios físicos fundamentales. En el caso de la Licenciatura en Química, los contenidos que aborde la disciplina Física deben estar relacionados con la necesidad que tienen las restantes disciplinas químicas de determinados conocimientos de la Física y paralelamente cumplir con el objetivo general antes mencionado. Asimismo esta disciplina debe contribuir a crear en el estudiante una conciencia ambientalista, energética y económica. Se debe aprovechar el estudio de aquellos fenómenos físicos a través de los cuales se hace evidente la influencia negativa sobre el medio ambiente de diferentes actividades del ser humano, la posibilidad del desarrollo y explotación de nuevas fuentes de energía y de un análisis económico consecuente, para lograr este objetivo. Los contenidos de la disciplina Física deberán estructurarse de la siguiente forma: a) las leyes de Newton del movimiento mecánico b) las leyes de conservación c) la de los fluidos d) ondas y oscilaciones e) fenómenos electromagnéticos f) fenómenos ópticos g) bases de la Física Moderna 2 Cada una de estas temáticas se desarrolla dentro de los límites de su estricta necesidad por parte de las restantes disciplinas de la carrera. Los contenidos de Termodinámica, tradicionales dentro de cualquier programa de Física no se abordan por estar contenidos en la disciplina Química-Física. La disciplina se imparte en la carrera desde su comienzo en 1962 con la Reforma Universitaria. Inicialmente se dividió en cuatro asignaturas , Física Molecular, Electromagnetismo y Optica. Posteriormente, con la implantación de los planes de Estudio “A” se eliminó la asignatura de Física Molecular debido a su duplicidad. En los planes de estudios “B”, “C” y ahora el “D” se ha conservado la estructura de tres asignaturas: , Electromagnetismo y Optica, que se imparten en los semestres 2, 3 y 4 de la carrera. OBJETIVOS GENERALES DE LA DISCIPLINA 1. Interpretar y generalizar los principios y leyes que conforman el cuadro físico contemporáneo contribuyendo a la formación de una concepción científica del mundo. Esto le permitirá al graduado actuar profesionalmente de acuerdo a profundas convicciones sobre la materialidad del mundo y su cognoscibilidad. 2. Resolver e interpretar situaciones típicas de la Física, aplicando los principios, conceptos y leyes de esta ciencia así como los métodos de trabajo propios de la misma. Esto le permitirá mostrar en su desempeño profesional un elevado desarrollo de sus capacidades cognoscitivas y creatividad. 3. Realizar trabajos de laboratorio con aplicación del método científico de investigación, empleando equipos e instrumentos de medición para obtener los datos experimentales. 4. Procesar los resultados, tanto gráfica como analíticamente mediante el uso de softwares profesionales y lenguajes de programación e iinterpretarlos, elaborando un informe con conclusiones, donde se analicen los límites de validez de las mediciones y las fuentes de error. 5. Analizar críticamente el efecto de la actividad del ser humano sobre el medio ambiente, a partir de la aplicación de los conceptos, leyes y teorías físicas en el análisis de aquellos fenómenos naturales que inciden negativamente sobre el mismo. 6. Demostrar, con su actuación profesional, un elevado sentido del amor al trabajo y al estudio, a la auto preparación técnica, política y cultural, así como el rigor, la modestia, la honestidad científica, el espíritu de sacrificio y el colectivismo necesarios para el desempeño de su misión social. CONTENIDOS DE LA DISCIPLINA CONOCIMIENTOS ESENCIALES A LOGRAR La Física y su relación con otras ciencias en particular con la Química. Movimientos en una sola dimensión. Movimientos en un plano. Dinámica de la partícula. Leyes de Newton. Gravitación: Ley de la gravitación universal. Trabajo y energía. Conservación de la energía y de la cantidad de movimiento. Choques. Movimiento de rotación. Estática de los fluidos: principios de Pascal y Arquímedes. Dinámica de los fluidos: ecuación de Bernoulli, leyes de Poiseuille y de Stokes. Ondas en medios elásticos. Carga eléctrica, ley de Coulomb. Campo 3 eléctrico. Flujo del campo eléctrico: ley de Gauss. Potencial electrostático. Condensadores y dieléctricos. Ley de Gauss de los dieléctricos. Corriente eléctrica: Ley de Ohm. Fuerza electromotriz y circuitos eléctricos: ley de Joule, leyes de Kirchoff. Propiedades magnéticas de la sustancia: ley de Gauss del magnetismo. Oscilaciones electromagnéticas. Campo e inducción magnéticos. Ley de Biot-Savart- Laplace. Leyes de Ampere, Faraday y Lentz. Ecuaciones de Maxwell, papel en la Física. La luz y el espectro electromagnético: velocidad de la luz. Optica Geométrica: leyes y principios. Reflexión y refracción en superficies planas y esféricas: lentes. Optica ondulatoria: superposición de ondas de igual frecuencia, coherencia. Interferencia por división de amplitud y por división del frente de onda. Difracción en una, múltiples rendijas y en abertura circular. Polarización. Interacción de la luz con la sustancia: absorción, dispersión, difusión. Naturaleza cuántica de la luz: fuentes, efecto fotoeléctrico, efecto Compton, espectro de líneas. Partículas y ondas: ecuación de De Broglie, principio de Heisenberg. Función de onda. HABILIDADES GENERALES DE LA DISCIPLINA 1- Interpretar el sistema básico de leyes y principios de la , el electromagnetismo y la óptica, empleándolas en el análisis y solución de problemas. 2- Precisar los límites de validez de la Física Clásica. 3- Seleccionar sistemas de referencia adecuados para resolver problemas. 4- Realizar análisis dimensionales de las ecuaciones físicas. 5- Resolver e interpretar los resultados de un problema concreto definiendo las soluciones admisibles físicamente tanto por sus órdenes de magnitud como por la naturaleza de las soluciones. 6- Resolver problemas físicos tanto numéricos como literales, empleando el álgebra vectorial y el cálculo diferencial e integral. 7- Desarrollar hábitos y habilidades en el trabajo experimental, siendo capaces de obtener datos y procesarlos tanto gráfica como analíticamente mediante el uso de softwares profesionales y lenguajes de computación. . 8- Interpretar los resultados experimentales redactando informes con conclusiones donde se expliquen dichos resultados así como los límites de validez de las mediciones y analizar las diferentes fuentes de error en las mismas. 9- Utilizar eficientemente las microcomputadoras e INTERNET para resolver problemas y tareas propias de la profesión. SISTEMA DE VALORES La disciplina contribuirá, de forma intencional, al desarrollo de valores en los estudiantes a través de los métodos de enseñanza empleados y adecuadas estrategias metodológicas. Los valores fundamentales que se trabajarán son: responsabilidad, honestidad científica, disposición cooperativa, respeto mutuo, crítica y autocrítica y relaciones interpersonales. INDICACIONES METODOLOGICAS Y DE ORGANIZACION. 4 Las tres asignaturas que componen la disciplina deben ser expuestas teniendo como premisa fundamental la más completa interrelación entre todas sus leyes y teorías, reflejo en última instancia de la profunda unidad entre todos los objetos y fenómenos físicos. Esto obliga a una sistematicidad constante en el proceso de enseñanza-aprendizaje. Así, por ejemplo, fenómenos tales como las oscilaciones y las ondas, las leyes de conservación de la energía y el momentum y conceptos como el trabajo, la energía y el campo, por solo citar algunos, deben ser expuestos a través de las diferentes teorías siguiendo su analogía conceptual a pesar de su naturaleza diferente. Por otro lado es necesario presentar todas las leyes y teorías físicas como un proceso continuo de búsqueda y como el resultado del conocimiento del mundo físico, por el hombre, en una época histórica dada, y no como un conjunto de verdades incuestionables. l proceso docente en cada asignaturas se desarrollará mediante tres tipos fundamentales de actividades: las conferencias, las clases prácticas, y las practicas de laboratorio. Las conferencias son básicamente expositivas, pero en ellas se debe emplear constantemente la interacción con los estudiantes, a fin de activar el proceso de adquisición de los conocimientos. No consumirán tiempo en preparar matemáticamente al estudiante y deberán centrarse en la estructura lógicoconceptual de la física, el análisis físico de sus leyes, sus condiciones de validez y sus consecuencias generales y particulares. Las clases prácticas se desarrollarán en base a problemas y ejercicios, que serán orientados previamente a los estudiantes. En las mismas, el docente expondrá algún (o algunos) problema(s) tipo, a fin de ilustrar el método de trabajo, pero el resto de los problemas deberá ser desarrollado por los propios estudiantes, inicialmente en sus cuadernos y al final en la pizarra, donde se realizará una discusión colectiva, con las conclusiones a cargo del profesor. Deberá prestarse atención al análisis de las idealizaciones utilizadas, al planteamiento de las ecuaciones, las dimensiones y unidades de medida, la obtención de los resultados numéricos, y de las cifras significativas admisibles. Las clases prácticas deben habituar al estudiante a resolver problemas que planteen situaciones cercanas a la realidad, donde las idealizaciones y aproximaciones que permitan obtener resultados no estén presentes en el enunciado y deban hacerse por el propio estudiante dentro del marco de sus propios conocimientos. Las clases prácticas dispondrán de un número de horas no inferior al 40% del total de horas de la asignatura con una tendencia al incremento de esta proporción. El empleo de modelos, tanto matemáticos como estructurales, es parte inseparable del quehacer de la física. Es por lo tanto un aspecto que estará presente en las tres las asignaturas de la disciplina. Para el estudio de cualquier modelo dentro de las asignaturas, es aconsejable la siguiente secuencia: a) Justificación del modelo a partir de consideraciones físicas del sistema a modelar. b) Análisis de experimentos que lo someten a prueba y, por tanto, establezcan los límites de su validez. c) Valoración de las insuficiencias para tratar de mejorarlo o desecharlo. En el presente plan de estudios se plantea la necesidad de potenciar el desarrollo de una conciencia ambientalista y energética y de habilidades en el uso de las nuevas tecnologías de la información y las comunicaciones. (TIC). También es necesario lograr la máxima actualización de la disciplina acorde con los avances de la Física y dar un salto importante en el sentido de transformar nuestros métodos de enseñanza, adecuándolos al uso masivo de las TIC y disminuyendo el tiempo de las actividades presenciales. En consecuencia, en los programas de 5 todas las asignaturas de esta disciplina se deberán definir los enfoques y tareas concretas para lograr estos objetivos. En el presente programa se establecen solamente los lineamientos generales. La asignatura Mecánica expondrá la física newtoniana, como la primera teoría física con que se enfrenta el estudiante, destacando su esquema lógico-formal y haciendo hincapié en su origen y desarrollo. Este proceso abarca un largo período histórico y está marcado por hitos trascendentales en el desarrollo del pensamiento científico de la humanidad, desde las ideas de Aristóteles hasta los aportes sustanciales de pensadores de la talla de Galileo, Newton y Einstein. Por lo tanto, esta signatura es especialmente propicia en el logro de importantes objetivos educativos dentro de la disciplina y como parte del modelo del profesional, al presentar el camino que ha seguido la como una muestra del proceder dialéctico que sigue la ciencia. Debe centrarse la atención del estudiante en el planteamiento y solución de la ecuación del movimiento, en las leyes de conservación de la energía y el momentum, en la ley de gravitación universal y en el estudio de las oscilaciones (lineales) destacando su generalidad. Se deben discutir las limitaciones de las leyes de Newton del movimiento mecánico para enfrentar los nuevos fenómenos que aparecen a finales del siglo XIX, típicos del mundo subatómico y las velocidades muy elevadas. El concepto de fuerza y la consideración de los diferentes tipos de interacciones en la naturaleza, así como los conceptos de trabajo, energía y campo se introducen en esta asignatura y son utilizados después a lo largo de toda la disciplina, por lo que deben recibir un tratamiento especial. Al abordar la ley de gravitación universal se deben mencionar, por un lado, algunos fenómenos a escala cósmica relacionados con la gravitación y que son objeto de investigación en la actualidad, tales como la expansión del universo, la materia oscura, el colapso gravitatorio de las estrellas, los huecos negros, las estrellas de neutrones y los cuásares. Por otro lado, se debe hablar de la influencia de la atracción de otros cuerpos celestes sobre la Tierra, puntualizando el caso particular de la Luna y la creación de las mareas, con su influencia sobre el medio ambiente y su utilización como fuente de energía. Al introducir los conceptos de energía y momentum se debe señalar el desarrollo ulterior de estos conceptos a escala subatómica y a grandes velocidades, discutiendo brevemente la cuantización de los mismos, el momento del fotón y la dualidad ondapartícula. En particular los temas de la energía y de la relación masa-energía de Einstein deben ser usados para abordar la problemática energética que enfrenta actualmente la humanidad, puntualizando las ventajas y dificultades relacionadas con el desarrollo de la energética nuclear (contaminación del medio ambiente) y las particularidades de este proceso en nuestro país. Finalmente, en el tema de sistemas no inerciales de referencia, la discusión de las fuerzas de Coriolis es un marco adecuado para hablar del movimiento de las grandes corrientes atmosféricas y marinas y relacionarlas con fenómenos como los ciclones tropicales, El Niño y La Niña, de gran impacto medioambiental. El tratamiento de la mecánica de los fluidos, es propicio para abordar algunos fenómenos físicos a escala global relacionados con la protección del medio ambiente. También hay que destacar el tema de las corrientes marinas y de los vientos. Estos son flujos típicos de fluidos que ejercen acciones decisivas sobre el clima y que, además, conllevan una fuerte interacción y térmica con el resto de la atmósfera y el océano. Finalmente, se debe aludir a las considerables cantidades de energía potencial y cinética propias de las grandes masas de fluido de las corrientes marinas, los vientos, ríos y mareas y la posibilidad de ser utilizadas en beneficio del hombre. 6 El tema de las ondas prepara las condiciones para abordar posteriormente las ondas electromagnéticas en Electromagnetismo y el caso particular de las ondas luminosas en Óptica y Física Moderna. En este tema, se deben mencionar los efectos nocivos a la salud humana de la contaminación sónica propia de la modernidad. En la asignatura Electromagnetismo, la concepción del campo electromagnético es clásica (no cuántica), con elementos de física cuántica. El nivel matemático incluye el cálculo integral. El curso debe ser impartido con abundantes demostraciones experimentales. En las clases se debe hacer más hincapié en la explicación del significado de las ecuaciones que en los detalles formales de sus deducciones. El concepto de campo electromagnético debe ser introducido en las primeras clases siendo perfeccionado a lo largo de todo el curso. La materialidad del campo debe ser discutida con profundidad creciente al paso del tiempo. Se debe explicar con cuidado la relación entre los objetos, sus propiedades y las magnitudes asociadas (ej.: el electrón, su estado intrínseco de electrización y la carga e). A posteriori se puede emplear el lenguaje simplificado usual de la literatura. Se debe hacer énfasis en la aplicación técnica de los resultados obtenidos, así como de su importancia e influencia en el desarrollo científico contemporáneo. Las consecuencias teóricas de los experimentos de Oersted sobre los efectos magnéticos de la corriente eléctrica, que unificaron los fenómenos eléctricos y magnéticos, y la síntesis brillante de Maxwell contenida en sus ecuaciones, que postuló la existencia de las ondas electromagnéticas y permitió unificar los fenómenos luminosos y electromagnéticos en una misma teoría física, deben ser convenientemente aprovechadas desde el punto de vista educativo. Ellas deben contribuir a formar convicciones sobre el papel unificador y generalizador de la Física a lo largo del desarrollo histórico de esta ciencia, reflejo de los nexos objetivos entre todos los objetos y fenómenos de la naturaleza y, en última instancia, de la profunda unidad del mundo. Al abordar el tema de las ondas electromagnéticas debe valorarse discutir brevemente los efectos de las radiaciones electromagnéticas sobre la materia viva y la llamada contaminación electromagnética, que es objeto de particular atención en los últimos tiempos. Aquí se pueden mencionar los efectos positivos y negativos de las radiaciones ultravioleta e infrarroja. En Óptica y Física Moderna se debe insistir en el carácter integrador de la Física, ejemplificado en el carácter ondulatorio y electromagnético de la radiación luminosa. Esta asignatura también puede dar un aporte sustancial a la dimensión medioambiental de la disciplina toda vez que existen muchos fenómenos a escala global que tienen que ver con la interacción entre la luz y la sustancia. Así, por ejemplo, el propio efecto invernadero es producido por la absorción selectiva de la radiación al atravesar la atmósfera. Aquí se puede mencionar también el efecto de la capa de ozono, la absorción de la luz que disminuye la visibilidad en los aeropuertos e igual fenómenos en las grandes ciudades debido a la fuerte contaminación. Los elementos de Física Moderna, ofrecen al estudiante un acabado del cuadro físico del mundo, al exponer las leyes y teorías que llegan hasta el momento actual. Ellas deben demostrar cabalmente la imposibilidad de explicar las regularidades y fenómenos del micro mundo dentro del marco de la física clásica y abrir el camino a un estudio posterior en disciplinas de Química a algunos temas de cuántica, destacando sus principios y postulados así como su operatividad para explicar auto consistentemente estructuras y procesos en el mundo subatómico, sin erigirse en un curso abreviado de esta teoría. Deben enfocarse desde el punto de vista fenomenológico, enfatizando los aspectos experimentales pero, de hecho, se habrán de mostrar las tendencias y teorías actuales a escala micro y macroscópica partiendo de la real unidad del mundo y las 7 diversas formas de materia existentes. Por su contenido y esencia, estos temas requieren una constante actualización según los peldaños que va alcanzando la Física, fundamentalmente a escalas nuclear y cosmológica y en el estudio de las partículas fundamentales. En relación con las dimensiones medioambiental y energética, hay aquí un buen número de conceptos y fenómenos que deben ser destacados como el efecto fotoeléctrico interno, que es básico en la transformación fotovoltaica de la energía solar; el espectro de emisión del cuerpo negro, que en buena medida coincide con el espectro solar, el cual debe ser considerado a esos mismos efectos; la obtención y uso de la energía nuclear, tanto desde el punto de vista pacífico en beneficio del hombre como desde el punto de vista militar en pro de su destrucción; la contaminación radiactiva del medio ambiente etc. 8
