GUÍA DOCENTE DE LA ASIGNATURA Electromagnetismo y Óptica Curso académico 2008-2009 1. DATOS DE LA ASIGNATURA 1.1. Nombre: Electromagnetismo y Óptica Electromagnetism and Optics 1.2. Código: 46992102 1.3.Plan: 1999 1.4.Ciclo: 1 1.5. Curso: 2º 1.6. Tipo: Troncal 1.7. Cuatrimestre: 1 1.8. Créditos LRU en el plan de estudios actual 1.8.1. Totales: 7 1.8.2. Teóricos: 4.5 1.8.3. Prácticos: 3 1.9. Créditos totales ECTS: 1.9.1.Teóricos: 1.9.2.Prácticos: 1.10. Descriptores: Electromagnetismo. Electricidad. Teoría de Circuitos. Máquinas Eléctricas. Óptica Electromagnetism, Electricity, Circuits, electrical machinery, Optics. 2. DATOS DEL PROFESOR 2.1. Nombre: María José García Salinas 2.2. Departamento: Física Aplicada 2.3. Área de conocimiento: Física Aplicada 2.4. Despacho: CITE II-A , 2.15 2.6. Horario de tutoría 2.6.1. 1er y 2º Cuatrimestre: 6 horas semanales establecidas en función del horario del profesor (información en la página web personal y webCT, aula virtual ) 2.7. Teléfono: 950-015913 2.8. E-Mail: [email protected] 2.9.Apoyo virtual WEB CT: sí 2.10. Página Web personal: www.ual.es/~mjgarcia 3. DATOS DEL DEPARTAMENTO 3.1. Nombre: Departamento de Física Aplicada 3.2. Áreas que lo componen: Física Aplicada, Prospección e Investigación Minera, Ciencias de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica 3.3. Director: manuel Servando Romero Cano 3.3.1. Despacho: CITE II-A, 2.14 3.3.2.Teléfono: 950.015912 3.3.3.E-Mail: [email protected] 3. 4. Jefe de negociado de apoyo administrativo: 3.4.1. Despacho: CITE II-A, 2.220 3.4.2. Teléfono: 950.015477 3.4.3 Fax: 950.015477 3.4.4.E-Mail: [email protected] 1 4. CONTEXTUALIZACIÓN 4.1. Objetivo global de la asignatura: Desarrollar las competencias específicas y genéricas que se indican: Competencias específicas: objetivos relacionados con los nuevos conocimientos Ganancias en conocimientos sobre y capacidad de trabajar con los conceptos fundamentales de la materia: interacción electromagnética y su papel en la naturaleza. Herramientas de aprendizaje y/o formación Desarrollar las competencias relacionadas con: - resolución de problemas científicos, conocidas las nociones fundamentales y disponiendo de material de consulta. - trabajo en equipo (desarrollo de las capacidades de coordinación, distribución de trabajo, sinergia, puesta en común...) - realización de trabajo experimental en laboratorio (preparación de las experiencias, realización de las mismas, toma y tratamiento de datos, análisis de resultados y exposición correcta del trabajo realizado) Competencias genéricas vinculadas a valores o actitudes 4.2 Conocimientos previos: Obligados: álgebra y análisis vectorial básicos. Fundamentos de cálculo integral. Es recomendable haber cursado Física y Matemáticas en niveles preuniversitarios. Serán beneficiosos conocimientos de inglés e informática. Conocimientos previos de física deseables: Mecánica clásica básica: Leyes de Newton del movimiento. Conceptos de trabajo, potencia, y energía cinética y potencial. Teoría de elemental de campos; campo conservativo. Estructura atómica de la materia. Interacciones básicas: interacción electromagnética. Conocimientos previos de matemáticas deseables: Logaritmos decimales y neperianos. Resolución de ecuaciones e inecuaciones de primer y segundo grado Sistemas de ecuaciones lineales. Determinantes. Trigonometría. Ecuaciones de la recta. Vectores en el espacio tridimensional. Sistemas de coordenadas. Cálculo de ángulos, distancias, áreas y volúmenes Derivada de una función: aplicaciones geométricas y físicas de la derivada. Máximos y mínimos de una función. Representación gráfica de funciones. Primitiva de una función. Cálculo de integrales indefinidas inmediatas. Integración. 4.3. Prerrequisitos: No existen 2 5. COMPETENCIAS Y OBJETIVOS 5.1. COMPETENCIAS ASIGNATURA 5.1.1. Generales: • • • • • • DE LA Resolución de problemas. Trabajo en equipo. Razonamiento crítico. Trabajo y aprendizaje autónomos. Capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica. Trabajar según el método científico 5.2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA Los conceptos de la asignatura se encuadran dentro las fuerzas o interacciones básicas de la naturaleza y la energía puesta en juego, sus aspectos teóricos y aplicaciones tecnológicas. Por tanto se puede enfocar su estudio de forma aséptica o de forma global, haciendo intervenir conceptos como desarrollo sostenible, ecología, contaminaciones, ahorro energético... Este ultimo enfoque es el deseable para que, junto con los conocimientos básicos y las habilidades para utilizarlos, se adquiera una visión humana de sus implicaciones y posibilidades, así como la capacidad de valorar y desarrollar actitudes sensatas, activas y maduras al respecto. También, con el trabajo en equipo se pretende desarrollar la habilidad social, de comunicación y compenetración. 5.1.2. Específicas Competencias Específicas Procedimentales (Conocimiento Práctico): Ser capaz de resolver problemas sobre los contenidos de la asignatura, aplicando tanto conocimientos específicos de la misma como matemáticos, informáticos , etc. según sean necesarios. Comprender y utilizar los conceptos teóricos en la resolución de problemas. Desarrollar la capacidad de utilizar herramientas adicionales (formalismo matemático, programas informáticos, bibliografía...) en la aplicación de los conceptos teóricos a la resolución de problemas. Automatizar el uso de la instrumentación básica del laboratorio. Realización de un correcto trabajo experimental en el laboratorio y durante el posterior tratamiento y Adquirir la técnica del tratamiento, análisis numérico y gráfico de los datos y resultados. análisis de datos. Adquirir la capacidad de síntesis y presentación correcta de resultados. Competencias Actitudinales: Adquirir la capacidad de elaboración de un informe científico, y de la correcta presentación, análisis y defensa (oral y escrita) de resultados. Específicas Capacidad de comprensión, interpretación y crítica. Desarrollar la capacidad de desarrollo y defensa de un tema en público. Habilidades manipulativas Desarrollar la capacidad de escuchar y valorar temas expuestos, conferencias, etc. Mostrar actitud científica. Mostrar valores ético Realizar trabajos prácticos en grupos pequeños. Elaborar informes en grupo sobre el trabajo experimental realizado 3 5.1.2. Específicas Competencias Específicas Conceptuales (Conocimiento Teórico): Dominar las operaciones algebraicas con vectores, así como el cálculo básico diferencial e integral respecto a variables escalares. Incorporar el concepto de campo al lenguaje científico. Comprender las implicaciones de un campo conservativo. Utilizar con soltura los operadores vectoriales diferenciales, y poder explicar su significado físico con ejemplos concretos. Utilizar los diferentes sistemas de coordenadas y las ecuaciones de transformación. Conocer y utilizar los conceptos y operaciones de Teoría de Campos. Definir los conceptos básicos que intervienen en electrostática Conocer la física del campo eléctrico. Describir el comportamiento de cargas en el vacío y en distintos medios materiales Conocer y aplicar los fundamentos de Teoría de Circuitos (conductividad eléctrica, resistores, fuentes de alimentación, asociaciones...) Analizar y saber resolver circuitos de corriente continua y alterna mediante distintos métodos de resolución de circuitos. Conocer las fuentes y efectos del campo magnético en el vacío. Conocer las propiedades magnéticas de la materia y los distintos materiales magnéticos. Conocido un campo eléctrico en una región del espacio, saber calcular sus efectos (fuerzas) sobre cargas. Conocidas sus fuentes (distribuciones discretas o continuas de cargas), saber calcular el campo eléctrico originado, aplicando la ley de Coulomb o la ley de Gauss. En su caso, saber obtenerlo como gradiente del potencial eléctrico. Saber dibujar las líneas de campo. Obtener el potencial eléctrico debido a una distribución de cargas, bien directamente o bien a partir del campo eléctrico. Saber la diferencia entre una molécula polar y una no polar, y describir el comportamiento de ambas en un campo eléctrico, utilizando el concepto de dipolo Definir y relacionar las magnitudes eléctricas: intensidad, voltaje, resistencia, potencia. Enunciar y aplicar la ley de Ohm. Enunciar las leyes de Kirchhoff como consecuencia de las leyes de conservación de carga y energía. Resolver circuitos sencillos mediante los métodos de mallas y nudos. Conocer el comportamiento del condensador en un circuito RC. Ser capaz de calcular constantes de tiempo. Identificar claramente los tres regímenes en el comportamiento del condensador: instante inicial, régimen transitorio y régimen estacionario. Enumerar y explicar los fenómenos en los que se manifiesta la interacción magnética (imanes, brújula, experiencia de Oersted...) Identificar y cuantificar los efectos de un campo magnético sobre cargas y corrientes y algunas de las aplicaciones a las que han dado lugar. Saber calcular el campo magnético conocida su fuente escalar (intensidad de corriente), aplicando correctamente bien la ley de Ampère o bien la ley de Biot y Savart. Aplicar la ley de Faraday-Lenz para el cálculo de corrientes inducidas en casos sencillos. Enumerar aplicaciones de la inducción, y explicar que también hay efectos no deseados (corrientes de Foucault). Obtener e interpretar la forma integral de la ley de Faraday-Lenz, aplicándola a ejemplos de alta simetría. Definir el concepto de autoinducción y obtener la expresión del coeficiente de autoinducción para un solenoide o bobina. Saber calcular la energía magnética. Describir el comportamiento de las variables eléctricas en los circuitos RL y LC. Generalizar el comportamiento de la bobina para cualquier circuito de corriente continua. Comprender el fenómeno de la inducción electromagnética y sus aplicaciones. Identificar el fundamento electromagnético de Unificar las ecuaciones vistas, siendo capaz de enunciar y explicar el significado físico del máquinas eléctricas simples conjunto de cuatro ecuaciones conocido como ecuaciones de Maxwell. Definir la corriente de desplazamiento, obteniéndola para el caso de un condensador (transformador, dinamo...) como generalización de la ley de Ampère. Comprender la deducción de la ecuación de ondas electromagnéticas y sus implicaciones, asimilando a partir de las ecuaciones de Maxwell la luz como una onda electromagnética. Explicar el significado de: vector de Poynting, intensidad de las oem, presión de radiación, relacionando entre sí estos conceptos y saber calcularlos. Recopilar y unificar los conocimientos anteriores en las Ecuaciones de Maxwell. Interpretarlas y deducir la existencia de ondas Distinguir los posibles tratamientos que abordan los fenómenos luminosos y las ramas de la Física implicadas. electromagnéticas Conocer los fundamentos de la Óptica Geométrica. Describir y explicar los fenómenos ondulatorios: interferencia, difracción y polarización. Ser capaz de enunciar los principios de Huygens y Fermat. Poder enunciar y utilizar las leyes de la Óptica Geométrica, y relacionarlas con los principios de Huygens y Fermat. Ser capaz de definir y utilizar los conceptos: índice de refracción, ángulo crítico, dispersión. Describir con ayuda de un diagrama el patrón de interferencias de una doble rendija y ser capaz de localizar las interferencia máximas y mínimas. Describir el interferómetro de Michelson. Ser capaz de dibujar el diagrama de difracción de una rendija y localizar los mínimos de difracción. Enunciar el criterio de resolución de Rayleigh y poder utilizarlo para hallar las condiciones que deben cumplirse para la resolución de dos objetos. Enunciar y describir los métodos de polarización de la luz. Enunciar y aplicar la ley de Malus. Deducir la ley de Brewster. 4 6.CONTENIDOS SEMINARIOS: I.- Revisión de la Teoría de Errores y Tratamiento de Datos. (Laboratorio) II.- Instrumentación: uso de los aparatos de medida. (Laboratorio) III.- Confinamiento Magnético. (Vídeo) 6.1.CONTENIDOS TEÓRICOS: 6.2.CONTENIDOS PRÁCTICOS: 0. Teoría de Campos. Seminarios I y II ♦ 1. Campo eléctrico en el vacío y en la materia. 1. Líneas equipotenciales de campos eléctricos. 2. Teoría de Circuitos. 2. Fuerza electromotriz y resistencia interna de un generador real. 3.-Ley de Ohm. 4.- Circuitos de corriente continua. 5.- Carga y descarga de un condensador. 3. Principios de Electrónica. 6.- Anchura de la banda prohibida del germanio. 7.- Curva característica de diodos comunes y zener. ♦ 4. Campo magnético en el vacío. Seminario III 5. Campos magnéticos en la materia. ♦ 6. Inducción electromagnética. 8.-Campo magnético creado por una espira circular. 9.-Campo magnético creado por un solenoide. 10.- Materiales dia-, para- y ferromagnéticos. 11.- Inducción mutua entre bobinas. 7. Máquinas eléctricas y circuitos de corriente 12.- Circuitos de corriente alterna (en serie). alterna. ♦ 8. Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas. 13.- Determinación de la velocidad de una onda electromagnética. ♦ 9. Luz. Óptica Geométrica. Seminario IV 14.- Óptica Geométrica. Seminario V ♦ 10. Interferencia, difracción y polarización. 15.- Fenómeno de reflexión total. 16.- Interferencias por división de amplitud 17.- Polarización de ondas electromagnéticas planas. 18.- Difracción mediante redes. 19.- Dispersión de luz mediante un prisma óptico. IV.- Introducción experimental a los fenómenos ópticos. (Experiencia de cátedra) V.- La luz a través de la Historia. (Vídeos) 5 7. METODOLOGÍA 7.1. Metodología para el tratamiento de los contenidos teóricos: En el aula: Durante el curso se explicarán en clase los contenidos básicos del temario, utilizando pizarra, transparencias para ilustraciones, y medios de proyección por ordenador. Los seminarios en el aula consisten en ver un video sobre el que después se contestaran unas cuestiones y se comentarán y debatirán los contenidos. También se realizarán problemas ejemplo, por parte del profesor, pero también por los alumnos, bien individualmente o en grupo. Se recomienda participar en las actividades propuestas: debates, concursos, trabajos en grupo... Trabajo autónomo Se recomienda completar apuntes, leer y estudiar sobre los contenidos vistos en clase, y hacer esto “al día” para no acumular materia sin mirar ni dudas. Conviene hacer, si se propone su realización, los problemas o diversas actividades. Tutorías: Se recomienda dedicar un tiempo a revisar cada tema, recopilar las dudas, replantearlas y pasar por tutorías a resolverlas. 7.2. Metodología para el tratamiento de los contenidos prácticos: En el laboratorio: Los seminarios en el laboratorio consistirán en explicaciones o experiencias de cátedra (demostraciones) seguidas de cuestionarios o ejercicios, según el caso. Las prácticas de laboratorio son de obligada asistencia. Se realizará en cada sesión el montaje o revisión de la experiencia, la toma de datos, y el análisis preliminar de los mismos. Se dispone para ello de ordenador de laboratorio. Trabajo autónomo Requiere una lectura previa de los detalles y fundamentos de la práctica a realizar. Posteriormente al trabajo en el laboratorio, se debe realizar el trabajo de cálculo, análisis y presentación de los resultados. Tutorías: Se recomienda dedicar un tiempo a revisar cada práctica, realizar una primera estimación de los resultados y un análisis de los mismos, contrastando con la teoría. En caso de anomalías o dudas respecto a la realización, consultar en tutorías antes de la entrega definitiva de la práctica. 6 7.3. Volumen de trabajo del estudiante (calculado en número de horas) HORAS DE TRABAJO DEL ESTUDIANTE 7.3.1.HORAS PRESENCIALES (CON PROFESOR) ACTIVIDAD DOCENTE Nº HORAS Nº DE GRUPOS CLASE DE TEORÍA (GRUPO DE TEORÍA SEGÚN OD) 45 1 CLASE DE (GRUPOS DE SEGÚN OD) 30 1 PRÁCTICAS PRÁCTICAS Laboratorio Problemas Informática Campo Otros OTRAS ACTIVIDADES DOCENTES Seminarios Tutoría grupal Otros CARGA DOCENTE (EN CRÉDITOS LRU) SUBTOTAL HORAS PRESENCIALES HORAS DE REALIZACIÓN DE PRUEBAS Y EXÁMENES 3 7.3.2. HORAS NO PRESENCIALES (ESTIMADAS) HORAS DE PREPARACIÓN DE ACTIVIDADES Y TRABAJOS (TEORÍA) HORAS DE PREPARACIÓN DE ACTIVS. Y TRABAJOS (PRÁCTICA) HORAS DE ESTUDIO PARA PRUEBAS Y EXÁMENES OTROS SUBTOTAL DE HORAS DE TRABAJO AUTÓNOMO TOTAL DE HORAS DE TRABAJO ESTUDIANTE Actividades Tiempo presencial Factor Tiempo personal Total Clases 36 1.5 54 90 Laboratorio 12 1.5 18 30 Tutoría 4 0.5 2 6 Seminarios 4 0.75 3 7 Grupos 2 0.75 1.5 3.5 78.5 136.5 Total 58 CARGA DOCENTE 7 7.4. Secuenciación temporal de la asignatura PROGRAMA TEÓRICO- PRÁCTICO 0. Teoría de Campos Nº sesiones teoría / prácticas 4 Seminarios I y II de introducción al laboratorio 1 1. Campo eléctrico 6 1 2. Teoría de Circuitos 4 2 3. Principios de Electrónica 4 1 4. Campo magnético en el vacío +seminario III 5 1 5. Campos magnéticos en la materia 3 6. Inducción electromagnética 3 1 7. Máquinas eléctricas y corriente alterna 3 1 8. Ecuaciones de Maxwell. Ondas electromagnéticas 3 1 9. Luz. Óptica Geométrica +seminario V 4 1+1 (Sem. IV) 10. Interferencia, difracción y polarización. 6 1 45 12 Total sesiones Sesiones de problemas 3 Total 45 15 Total horas 45 30 8. BIBLIOGRAFÍA DE LA ASIGNATURA 8.1. Lecturas obligatorias: Teoría: Tipler, P. Física (tomo II), 4ª ed. Ed. Reverté. Barcelona, 1999. Gettys, W. E., Keller, F.J. y Skove, M.J. Física Clásica y Moderna. Ed. McGraw-Hill. Madrid, 1993. R.A. Serway Electromagnetismo, Ed. Thomson, 2005. Problemas: “Electricidad y Magnetismo: Estrategias para la resolución de problemas y aplicaciones” V. Serrano y otros, Ed. Prentice Hall, 2001 “Electromagnetismo” Joseph A. Edminister, Ed. McGraw-Hill, 1993 “Circuitos Eléctricos” Joseph A. Edminister McGraw-Hill, 1994 8.2. Lecturas recomendadas: Teoría: Óptica, Hetch, E.,Addison- Wesley 2000 “Fundamentos de Circuitos Eléctricos” J.R. Cogdell Prentice Hall, 2000 “Fundamentos de Electrónica” J.R. Cogdell Prentice Hall, 2000 “Fundamentos de la Teoría EM” Reitz, Milford y Christy Addison Wesley, 1996 “FÍSICA: Campos y Ondas” M. Alonso - E.J. Finn F. Educativo Interamericano Campos y ondas electromagnéticas Lorrain, P. y Corson, D. R. Madrid [6ª ed. Española] Selecciones Científicas, 1994 Problemas: 8 Hetch, E. Óptica. Teoría y 305 problemas resueltos. Ed. McGraw-Hill. 1988 “100 Problemas de Electromagnetismo” E. López, F. Núñez, Ed. Alianza Editorial, 1997 “Teoría de Circuitos” E. Soria y otros McGraw-Hill, 2004 (Schaum) 8.3. Direcciones web: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/elecmagnet.htm http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/emcon.html#emcon 9. SISTEMA DE EVALUACIÓN 9.1. Aspectos y/o criterios: Se valorarán las capacidades requeridas según los objetivos. Se realizarán los siguientes exámenes: - examen final (teoría-problemas) - evaluación continua (controles opcionales) - examen de prácticas Se valorará, e influirá en la calificación final: - Participación en clase - Comportamiento en el laboratorio La siguiente tabla relaciona la evaluación de cada actividad con las capacidades valoradas: Evaluación Valora Actividad Teoría Formulación de preguntas clave Comprensión Problemas Planteamiento de problemas Capacidad de resolución Prácticas de laboratorio Entrega de informe de resultados y cuestiones Preguntas del contenido Preguntas sobre el manejo del instrumental Comportamiento en el laboratorio Tratamiento y análisis de datos; interpretación; capacidad crítica Cuestionario Exposición Capacidad de comprensión Capacidad de desarrollo y defensa de un tema. Entrega de los trabajos Capacidad de elaboración de un informe científico. Seminarios Trabajos de investigación Habilidades manipulativas, actitudes científicas, valores. 9.2. Modalidades e instrumentos: Se distinguirán los apartados de prácticas y teoría Prácticas: La nota final de prácticas será el resultado de los siguientes factores: 1) asistencia al laboratorio y comportamiento en el mismo 2) examen sobre tratamiento de datos y teoría de errores 3) examen final de prácticas (oral / escrito) 4) exposición de una práctica realizada por el alumno Es necesario aprobar las prácticas para aprobar la asignatura. 1) En este apartado no se evalúa para dar una calificación, pero hay una serie de normas que se han de cumplir: 9 - - La asistencia al laboratorio es obligatoria. El guión de la práctica que el alumno vaya a realizar en cada sesión debe ser leído y comprendido antes de iniciar la sesión. Después de cada sesión de prácticas el alumno debe realizar las actividades que propone el guión o que le indique el profesor (cálculos, representaciones gráficas, ajustes de los datos, cuestiones, interpretación y valoración de resultados, etc.) Estas actividades pueden iniciarse en el propio laboratorio una vez concluida la toma de datos. Se recomienda trabajar siempre en un cuaderno de laboratorio, donde se incluirán anotaciones sobre el dispositivo experimental, los datos de la práctica, y las actividades mencionadas anteriormente. Este cuaderno debe estar actualizado, y podrá ser revisado por el profesor. 2) Este examen se realiza tras los primeros seminarios, para motivar el estudio de las normas sobre toma de datos, representaciones gráficas, cálculos de regresión, expresión final de resultados, etc. 3) Este examen final consiste en una serie de cuestiones sobre las prácticas realizadas por cada alumno. Parte de ellas se realizan en forma de entrevista, sobre el cuaderno de laboratorio; otras se formulan por escrito (cuestionario tipo test o de respuesta corta). 4) La exposición de una práctica tiene carácter voluntario y dos finalidades. Una individual, ya que el alumno que realiza la exposición puede aumentar su nota final, además de obtener los beneficios que supone prepararse un tema concreto (de su elección) para contarlo y poder responder a posibles preguntas. Otra finalidad colectiva: los alumnos escuchan a su compañero comparando su exposición con lo que ellos han obtenido si han realizado dicha práctica, o se interesan por una práctica que no han hecho pero pueden realizar (aprendizaje vicario). Con este método, aunque el alumno realiza exclusivamente un máximo de 10 prácticas, puede beneficiarse del resto de las que hay en el laboratorio escuchando la exposición de los compañeros. La nota final de las prácticas es la media de los dos exámenes realizados, nota que puede verse modificada en parte por los factores 1) y 4) mencionados anteriormente. Teoría y problemas: Se realizará un único examen (final) de esta parte de la asignatura, que constará de unas cuestiones y unos problemas semejantes a los propuestos en las relaciones de problemas. Además, para perfilar la calificación final se plantea una propuesta: la evaluación continua. Ello consiste en realizar, dependiendo de la disponibilidad de los alumnos y con carácter voluntario y no eliminatorio, controles parciales a lo largo del curso. La nota final de teoría-problemas será la media entre la nota del examen final y la nota media obtenida en la evaluación continua, siempre que se hayan realizado todas las pruebas propuestas en esta última. En caso de no cumplir este requisito, la nota final será exclusivamente la del examen final. También se valorará la participación en clase, en las posibles actividades que se propongan, y la asistencia a los seminarios y su aprovechamiento. 9.3. Sistema de puntuación / calificación: La nota final de la asignatura será una media ponderada de las notas de teoría (70%) y prácticas (30%). 10