Física - ipesad

Transcripción

Física - ipesad

Física
Bernardo Tarango Frutos
Salvador Rivera Gallegos
Ricardo Valdez González
Preuniversitario
Física UNAM cover grapa.indd 1
3/14/06 5:35:28 PM
F ís ic a
El libro Física es una obra colectiva, creada y diseñada en el
Departamento de Investigaciones Educativas de Editorial Santillana,
con la dirección de Clemente Merodio López.
Preuniversitario
F ís ic a
El libro Física fue elaborado en Editorial Santillana
por el siguiente equipo:
Ed i ci ó n
Catalina Pelayo Rojas
Co ord ina ci ó n ed i torial
Roxana Martín-Lunas Rodríguez
Co re cción d e est il o
Pablo Chávez Hernández
D is e ñ o d e in teri ores
Quinta del Agua Ediciones, S.A. de C.V.
D is e ñ o d e p or tada
Francisco Ibarra Meza
Co ord ina ci ó n d e d is eño e i conog ra fí a
I l ustrad ores
Francisco Rivera Rodríguez, René Sedano Hernández,
Ricardo, Ríos Delgado, Luis Ángel Sánchez Hernández,
Apolinar Santillán Hernández
Fo togra f í a
Rocío Echávarri Rentería, Gustavo Guevara de León, Corel Stock
Photo y Archivo Santillana
D iagra ma ci ón
Alma Laura Origel Romero, Héctor Ovando Jarquín, Fausto Urbán
Brisuela, Javier Martínez Ramírez, Mabel Totolhua Hernández,
Violeta Méndez Guadarrama.
Ed i to ra e n Je fe d e Ba chillera to
Roxana Martín-Lunas Rodríguez
G e re n cia d e I nvest iga ci ón y Desa rroll o
Armando Sánchez Martínez
G e re n cia d e P roces os Ed i toriales
Laura Milena Valencia Escobar
G e re n cia d e Dis eño
Mauricio Gómez Morin Fuentes
Co ord ina ci ó n d e Ar te y Dis eño
Co ord ina ci ó n d e Autoed i ci ón
Óscar Tapia Márquez
D igital i za ción d e i má genes
José Perales Neria, Gerardo Hernández Ortiz
y María Eugenia Guevara Sánchez
Fo to m e c á n i ca elec t róni ca
Gabriel Miranda Barrón, Manuel Zea Atenco
y Benito Sayago Luna
La presentación y disposición en conjunto de cada página de
Física son propiedad del editor. Queda estrictamente prohibida
la reproducción parcial o total de esta obra por cualquier sistema
o método electrónico, incluso el fotocopiado, sin autorización
escrita del editor.
D.R. © 2006 por EDITORIAL SANTILLANA, S. A. DE C. V.
Av. Universidad 767
03100, México, D. F.
ISBN: 970-29-0891-4
Primera edición: julio de 2006
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana.
Reg. Núm. 802
Impreso en México
Presentación
¡Bienvenidos a esta apasionante aventura
intelectual y práctica!
L
a f ísica es una ciencia maravillosa que ha desarrollado explicaciones para fenómenos del microcosmos y el macrocosmos.
Esta ciencia se ha construido a lo largo de la historia de la humanidad, evolucionando a la par del pensamiento y concepción del
mundo de los seres humanos. La f ísica ha facilitado nuestra existencia y transformado nuestra civilización. Por ello, más que pretender aprenderla, hay que aprehenderla. ¡Hazla parte de ti!
La obra Física plantea los temas de un modo interesante que
te permitirá entender la evolución de las ideas científicas. En este
libro, encontrarás ejercicios de aplicación matemática para comprender mejor los fenómenos estudiados, apartados para aclarar
o ampliar conceptos tratados en el texto, lecturas complementarias y actividades diversas. También te presentamos recursos de
evaluación que te permitirán, no sólo darte cuenta de tu avance,
sino adquirir y fomentar habilidades y capacidades para el manejo de la información.
Consideramos que tú y tu profesor o profesora conforman
un binomio inseparable e indispensable para esta experiencia
de construcción del conocimiento. El docente es tu guía, orientador y facilitador; y tú eres protagonista activo y responsable
de tu propia aventura llamada aprendizaje. Aprender es más
que memorizar y aprobar exámenes, es fundamentalmente un
cambio en la forma en que comprendes el mundo; es desarrollar
habilidades para la convivencia, para la vida en sociedad, para
la comunicación y para seguir aprendiendo. Pretendemos que
desarrolles una perspectiva diferente de la acostumbrada: la
perspectiva científica.
¿Estás listo para iniciar la aventura? Adelante, da vuelta a la
página y comienza.
Los autores
Í ndi ce
9
Tabla
de contenidos
Presentación
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9
■
Unidad I
La física y su relación con el entorno social
■
10
■
La f ísica en la vida diaria
1 La f ísica como ciencia teórico experimental
1.1 Relación de la f ísica con la tecnología
2 La f ísica y el entorno sociocultural
El artículo. La misión, Stardust
Integración del aprendizaje
Evaluación del aprendizaje
Unidad II
Interacciones mecánicas. Fuerza y movimiento
1 Interacciones. Tercera ley de Newton
2 Concepto de fuerza
2.1 Carácter vectorial de la fuerza
3 Concepto de velocidad media
3.1 Movimiento rectilíneo uniforme
4 Movimiento con velocidad variable
4.1 Movimiento uniformemente acelerado (MUA)
5 Primera ley de Newton
6 Segunda ley de Newton
7 Peso de un cuerpo
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7.1 Caída libre de los cuerpos
8 Aplicación de fuerzas y fluidos
9 Concepto de presión
9.1 Presión atmosférica
10 Presión hidrostática
10.1 Principio de Arquímides
10.2 Principio de Pascal
11 Ley de Boyle. Modelo cinético molecular
12 Más allá de Newton
13 Relatividad especial
El artículo. Entre la duda y el acierto: el experimento Michelson-Morley
El artículo. El hallazgo y la experiencia de la f ísica de la relatividad
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Unidad III
Interacciones térmicas, procesos termodinámicos
y máquinas térmicas
■ 126 ■
1 Energía y trabajo mecánico
1.1 Trabajo mecánico
2 Energía mecánica
2.1 Interconversión
2.2 Transferencia
2.3 Teorema trabajo energía
2.4 Conservación
3 Otras formas de energía
3.1 Fuentes alternativas de energía
El artículo. Aprovechamiento de la energía solar
El artículo. Desarrollo sustentable y el Protocolo de Kyoto
4 La palanca
5 Procesos disipativos
5.1 Una historia acalorada
6 Transferencia de energía
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Í ndi ce
5
6.1 El calor y sus leyes
7 Equilibrio térmico
7.1 La ley cero
7.2 La noción de temperatura
7.3 Un modelo para interpretar la temperatura
7.4 La medida de la temperatura
8 Relación del trabajo adiabático con el aumento de temperatura de una masa de agua
8.1 Primera ley de la termodinámica
9 Conductividad calorífica y capacidad térmica específica
9.1 La transmisión del calor
9.2 La máquina de movimiento perpetuo
10 Eficiencia de máquinas térmicas
10.1 Las máquinas térmicas
10.2 El refrigerador
10.3 El efecto invernadero
11 Ondas
11.1 La transferencia de energía
11.2 Propiedades de las ondas
11.3 Velocidad de propagación
11.4 Movimiento armónico simple
11.5 Tipos de ondas
11.6 Las ondas sonoras
11.7 Las ondas sísmicas
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Unidad IV
Interacciones eléctricas y magnéticas.
Fenómenos luminosos
■ 210 ■
El artículo. Una historia electrizante
1. Campo eléctrico, ley de Coulomb
1.1 La carga eléctrica
1.2 El modelo del átomo y la carga eléctrica
1.3 Formas de cargar materiales eléctricamente
1.4 La ley de Coulomb
1.5 La acción a distancia
6
Fí si ca
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226
2. Circuitos eléctricos resistivos
2.1 Energía potencial eléctrica
2.2 Corriente eléctrica y fuentes de voltaje
2.3 Resistencia eléctrica
2.4 Ley de Ohm
2.5 Circuitos eléctricos
2.6 Potencia eléctrica
3. Campo magnético
3.1 Los imanes
3.2 Imanes y estructura de la materia
3.3 El campo magnético
3.4 La fuerza magnética
4. Inducción electromagnética
5. Síntesis de Maxwell
6. Ondas electromagnéticas
6.1 La contribución de Hertz
6.2 El espectro electromagnético y la luz visible
7. La luz como onda electromagnética
7.1 La luz y la óptica
7.2 Fenómenos luminosos
7.3 Reflexión y refracción de la luz
7.4 La formación de imágenes
7.5 Espejos esféricos
7.6 El telescopio
7.7 Lentes delgadas
7.8 Óptica ondulatoria
7.9 Interferencia y difracción de la luz
Unidad V
Estructura de la materia
231
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■
1 Estructura atómica de la sustancia en la profundidad de la materia
2 La evidencia química
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Í ndi ce
7
2.1 Teoría atómica de Dalton y leyes de las proporciones definidas y múltiples
2.2 Ley de Gay Lussac
2.3 Hipótesis de Avogadro
2.4 Pesos moleculares
2.5 Mendeléiev y la tabla periódica
3 La evidencia f ísica
3.1 Movimiento browniano
3.2 Teoría cinética de los gases
3.3 Ley de electrólisis de Faraday
3.4 Estructura cristalina
3.5 Imágenes de microscopio electrónico
3.6 Dimensiones moleculares y atómicas
4 La teoría atómica de la electricidad
4.1 Tubos de descarga
4.2 Experimento de Thomson
4.3 Experimento de Millikan
5 La teoría atómica de la radiación
5.1 La radiación electromagnética y la luz
5.2 La hipótesis cuántica de Planck
5.3 El efecto fotoeléctrico
6 Modelos atómicos
6.1 El descubrimiento de la radiactividad
6.2 Experimento de Rutherford
6.3 Espectroscopia
6.4 El modelo atómico de Bohr
7 Física nuclear
7.1 Decaimiento radiactivo
7.2 Detectores de radiactividad
7.3 Aplicaciones de la radiactividad y la energía nuclear
7.4 Fisión y fusión nucleares
8 Partículas elementales y cosmología
8.1 Partículas elementales
8.2 Interacciones fundamentales
8.3 Origen y evolución del Universo
El artículo. La gran explosión o el Big Bang
8.4 Relatividad general
8
Fí si ca
296
301
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359
Unidad I
La física y su relación
con el entorno social
La posibilidad de estudiar con detalle el movimiento
de los planetas y la necesidad de frenar un automóvil
son tan sólo dos aplicaciones de una misma
propiedad general de la materia: la inercia.
Propósito
El contenido de esta unidad
te llevará a reconocer la f ísica
como una ciencia que guarda
una amplia relación con tu entorno y tu vida cotidiana.
11
L a f í s i ca en l a vid a d iar ia
¿ Por qué est udiar Físic a?
¡Buenos
Pie de figura
12
Fí si ca
días! Despiertas al escuchar (ondas
sonoras) la música de tu radio–
despertador (ondas electromagnéticas) y enciendes la luz
(electricidad) para poder ver (ondas elec–tromagnéticas) los
objetos que hay en tu recámara. Te diriges al baño, abres las
llaves de la regadera (vasos comunicantes) y templas el agua
(calorimetría) para bañarte sin problemas. Te arreglas frente
al espejo (reflexión regular de la luz) y vas a la cocina para
calentar (transferencia de calor) el desayuno en el horno de
microondas (ondas electromagnéticas). Te pones la chamarra
para aislarte del frío matutino (transmisión del calor), consultas
el reloj (mecánica o electrónica) y sales presuroso para abordar el
vehículo (mecánica) que te transportará a la prepa: comenzará
un nuevo día de clases.
¿Quién lo dijo?
El párrafo anterior describe las actividades que realizas todos los
días de clases y entre paréntesis se menciona el principio f ísico
que ocurre en cada caso. Como puedes notar, la f ísica forma parte
de la vida cotidiana. Lo anterior no es una descripción completa de
los principios que generan los fenómenos descritos. Cierto, por
ejemplo, en el radio–despertador intervienen la electricidad, la
electrónica, las ondas electromagnéticas y las ondas sonoras; además, en varios fenómenos participan las ondas electromagnéticas.
Pero, ¿qué hace que un radio no pueda calentar el desayuno o no
nos permita ver los objetos? Esta pregunta puede contestarse mediante el estudio de las ondas electromagnéticas, con respecto a
dos de sus propiedades: la longitud de onda y la frecuencia, dentro
de una rama de la f ísica denominada electromagnetismo.
Si debiera responderse la pregunta “¿cómo interviene la f ísica
en la vida diaria?”, sería mucho más fácil responderla invirtiendo
su planteamiento: “¿En qué fenómenos de la vida cotidiana NO
interviene la f ísica?”
Al preguntar a ciertos estudiantes de preparatoria qué carrera
van a estudiar, suelen responder “cualquiera que no tenga que ver
con la f ísica, por ejemplo, medicina”; pero no reconocen que algunos de los fenómenos comunes a todos los seres humanos, como
inhalar aire al respirar, es un fenómeno estudiado por la neumática, una rama de la f ísica, y que lo origina la diferencia de presión
entre el interior de los pulmones y la atmósfera. (Más aún, expeler
aire también es un fenómeno estudiado por la f ísica.)
Con base en lo anterior puede comprenderse por qué se define a la f ísica, del latín physis y éste del griego fusike, de fusis,
naturaleza, como la ciencia de la naturaleza, en el sentido más
amplio.
D efin ic ion es d e
físic a
“Ciencia que estudia las propiedades de la materia y de
la energía, considerando tan
solo los atributos capaces de
medida.” Diccionario de la
lengua española, Real
Academia Española.
“Ciencia que tiene por objeto el estudio de los cuerpos
y sus leyes y propiedades
mientras no cambia su composición, así como el de los
agentes naturales, con los
fenómenos que en los cuerpos produce su influencia.”
Diccionario enciclopédico
U.T.E.H.A.
“Ciencia que estudia la
materia, sus propiedades,
sus fenómenos y las leyes
que los rigen.” Diccionario
enciclopédico Santillana.
“La f ísica es la más fundamental de las ciencias. Se
ocupa del comportamiento y
la estructura de la materia”.
D. C. Giancoli.
“La f ísica es más que una
parte de las ciencias f ísicas
(geología, astronomía, química y f ísica). Es la ciencia
básica.” P. G. Hewitt.
Unidad I
La f ísica y su rela ció n co n el en to r n o s ocial
13
1
La física como ciencia
teórico experimental
L
a curiosidad es un gran motor del cerebro humano. Este gusto
por saber que caracteriza a nuestra especie nos ha llevado a preguntarnos el porqué de las cosas. Para cada porqué, se piensa, debe
existir un cómo. La búsqueda del cómo estimuló el nacimiento y el
desarrollo del conocimiento científico; su alto grado de especialización
es históricamente reciente, ya que en la antigüedad los científicos
disertaban sobre temas muy diversos y se valían de métodos de investigación muy generales. Por ejemplo, el filósofo griego Demócrito de
Abdera (año 450 a. de C.), para fundamentar su teoría de que la materia es discontinua, acuñó el término átomo (indivisible), que en el
siglo XIX retomó el químico, f ísico y naturalista inglés John Dalton
(1766-1844) para explicar las reacciones químicas. Luego, después
del estallido de las bombas de fusión y de fisión, la manipulación de
aquella partícula dio nombre a toda una época, llamada la “era atómica”.
Fueron varios los científicos
que contribuyeron en la
conformación del conocimiento
sobre la estructura del átomo.
Las fronteras entre las llamadas ciencias f ísicas son muy tenues.
A menudo, las definiciones de la f ísica y la química comienzan así:
“Es la ciencia que estudia la materia y la energía y sus interacciones...”
Sin embargo, la f ísica, como ciencia con un método particular de
generar y validar conocimiento, tuvo su origen con Isaac Newton
(1642-1727), tras la publicación de su libro Principia Matemática
Philosophiae Naturalis, escrito en latín, siendo profesor de matemá14
Fí si ca
ticas en Cambridge. Esa obra salió de
la imprenta en 1687.
Con los avances en el estudio de la
materia y su relación con la energía,
la f ísica general fue fraccionándose
para producir un conocimiento más
profundo de algunos fenómenos particulares. Así surgieron las distintas
ramas de la f ísica que conocemos en
nuestros días: mecánica, neumática,
acústica, termodinámica, calorimetría,
electricidad, electromagnetismo, óptica. Esta división permitió comprender mejor los fenómenos f ísicos.
En la vida ordinaria es imposible
encontrar fenómenos aislados que correspondan a una sola rama de la f ísica. Los fenómenos naturales
son integrales, por ejemplo: el ciclo del agua. ¿Qué ciencia debe
estudiarlo: la meteorología, la f ísica, la química, la biología? En realidad, cada una tiene un campo de estudio en el ciclo del agua.
Isaac Newton es considerado
el fundador de la física moderna,
acepción que con el tiempo
se ha ido modificando. La
contribución de Newton se basa
en el trabajo de otros grandes
pensadores como Galileo.
Existen muchos fenómenos,
como el ciclo del agua,
cuya explicación requiere la
perspectiva de diversas ciencias.
Actividad
Señala qué parte del proceso del ciclo del agua estudia cada una de
las siguientes ciencias.
■ Meteorología: __________________________________________________________________________
■ Física:_______________________________________________________________________________________
■ Química: __________________________________________________________________________________
■ Biología: ___________________________________________________________________________________
Unidad I
15
Relación de la física con la tecnología
El automóvil ha permitido un
movimiento más ágil para la
población del planeta; sin embargo,
es importante considerar los riesgos
que este beneficio acarrea.
Ve más allá
Compara las fechas de
nacimiento y muerte
de Galileo y Newton.
Explica por qué en ocasiones se considera a
Newton “el relevo de
Galileo”.
16
Fí si ca
Se considera que una de las contribuciones más importantes de la f ísica a la sociedad contemporánea consiste en las aplicaciones del conocimiento científico y su relación con la tecnología para hacernos
más cómoda la vida, mediante una serie de instrumentos, máquinas o aparatos. Si en este momento un
investigador nos ofreciera
un instrumento capaz de
proporcionarnos mayor comodidad y más facilidades
para transportarnos, que
mejorara nuestro estatus social y nos brindara diversión,
lo aceptaríamos gustosos.
Pero cambiaríamos nuestra
percepción si el investigador
nos dijera que el precio de tal
instrumento es de 200 000
vidas humanas anuales, así como un millón de seres humanos heridos
o mutilados en el mismo tiempo, y que el daño ecológico ocasionado
a nuestro planeta fuera, tal vez, irreversible. Este instrumento es el automóvil.
Un automóvil depende del funcionamiento correcto de sus sistemas: el motriz, el eléctrico, el hidráulico, el de suspensión y, actualmente,
el electrónico. Si desconocemos las funciones elementales de cada sistema (en otras palabras, para qué sirven), corremos el riesgo de que el
mecánico nos engañe cuando falle alguno de ellos, reportando un daño
más grave que el auténtico. En cambio, si nuestro conocimiento del vehículo es integral, podremos llevarlo al taller apropiado, de acuerdo con
la verdadera causa de la falla.
Así está planteado este curso de Física. Es necesario tener una
visión amplia de la asignatura, aunque para estudiarla debamos dividirla en distintas ramas. Con todo, al terminar las jornadas tendrás
un panorama general de esta ciencia que es imprescindible para
comprender nuestros entornos.
Como cualquier ciencia, la f ísica emplea un lenguaje especializado; en este caso, el de las matemáticas: las utiliza como un medio
para expresar sus leyes y principios de forma comprensible.
Éste es un curso de Física, no de Matemáticas. Incluso así, los conocimientos de álgebra son necesarios. Quizás lo más importante no son
las matemáticas como disciplina especializada, sino aquello que representan en las fórmulas de la física. Dichas fórmulas son modelos matemáticos que nos acercan a la explicación satisfactoria de un fenómeno
determinado, mas no son el objeto mismo.
Sin embargo, sólo se
ocupan de una parte de la
Por cierto
realidad. Un modelo nos
aproxima al fenómeno, pero
Galileo Galilei estaba en la Catedral de Pisa cuando observó las osla mayoría de las veces omicilaciones de una lámpara suspendida en una cúpula; a partir
te una serie de factores que
de ello midió el tiempo de cada vaivén, valiéndose de los latidos de
intervienen en él. Esto lo
su corazón como patrón de medida del tiempo. Este hecho lo llevó
comprenderás mejor dua encontrar el principio de las oscilaciones asíncronas (mismo
rante la discusión de los
tiempo) del péndulo. Si bien Galileo postuló las características
ejercicios que integran el
del movimiento pendular, no utilizó esos principios para construir
curso.
un reloj, aparato que necesitaba para medir el tiempo en sus
Algunos científicos han
experimentos.
llamado a la f ísica “la cienEl holandés Christian Huygens (1629-1695) utilizó las leyes del
cia de la medición”. Galileo
péndulo para construir el primer reloj. Por su parte, el físico Jean B.
Galilei (1564-1642), mateFoucault (1819-1869) empleó un péndulo gigantesco, en 1851, para
mático, f ísico, astrónomo
demostrar el movimiento de rotación de la Tierra. Cuando los descuy pensador italiano, introbrimientos de un científico se difunden pueden contribuir a aplicadujo la medición en el esciones posteriores o a nuevos descubrimientos. Los conocimientos
tudio de los fenómenos
científicos ocultos no sirven a la sociedad.
f ísicos; así logró desarrollar leyes y principios que
cambiaron la “ciencia de la observación” por la “ciencia de la comprobación”. Al medir los fenómenos fue posible reproducirlos en las
mismas condiciones.
La difusión del conocimiento científico permite que las leyes y
teorías consideradas verdaderas puedan verse rebatidas y modificadas.
Glosario
Así sucede cuando ciertos experimentos se repiten y diseñan varias
veces; entonces es posible que ocurran sucesos que no puedan ser desLa f ísica es la ciencia que
critos o explicados con los principios de la ley que los sustenta.
estudia los fenómenos de
Lo anterior ha resultado en un avance exponencial de la
la Tierra mediante mediciencia, en tanto su relación con la tecnología se estreciones y modelos.
cha con el paso del tiempo.
U
Unniiddaadd II La
La Ff ísica y su rela ció n co n el en to r n o social
s ocial
17
2
L
El propio Einstein advirtió
sobre la posibilidad de la
aplicación destructiva
de la teoría de la relatividad.
18
Fí si ca
La física y el entorno
sociocultural
a difusión de los descubrimientos científicos es históricamente
reciente. Por ejemplo, durante la Edad Media, los alquimistas
guardaron sus hallazgos con celo, escribiendo los métodos utilizados
en forma vaga y con símbolos confusos. El inicio de la divulgación
de la ciencia fue formalizado con la fundación, en 1645, de la Royal
Society of London for Improving Natural Knowledge (Real Sociedad de Londres para el Desarrollo del Conocimiento Natural), mejor
conocida como Royal Society. El proceso divulgativo comenzó con
reuniones informales de científicos interesados en los métodos introducidos por Galileo.
La formación de esas comunidades científicas dio cauce a una
discusión ética: si la ciencia y sus aplicaciones deberían avanzar con
el único fin de obtener conocimientos más profundos del mundo; o
si, junto a ello, deberían considerarse posibles consecuencias, quizá
no benéficas, que la aplicación de esos conocimientos podría tener
para la humanidad o para el planeta.
Para algunos, Albert Einstein (1879-1955) es el “padre de la
bomba atómica”; una de las razones para considerarlo de ese modo
es que su teoría restringida de la relatividad (1905) derivó, entre otras
cuestiones, en la fabricación de esa clase de armas. Aquella teoría
formuló la famosa ecuación E = mc2, que establece la equivalencia
entre la energía (E) de una cierta cantidad de materia y su masa (m),
donde la velocidad de la luz es una constante (c). En 1945 se hizo
una aplicación destructiva de esas proposiciones teóricas, fuera del
control del propio Einstein. Él había hecho advertencias sobre el poder catastrófico de sus hallazgos: en 1939, alentado por los f ísicos
Leo Szilard y Paul Wigner, escribió una carta al presidente estadounidense Franklin D. Roosevelt. En
ella, el científico manifestó su convicción de que los alemanes podrían
construir una bomba muy destructiva con base en el tipo de estudios que
él realizaba; recomendó emprender
un programa de investigación sobre
energía atómica.
En 1942 fue creado el “Proyecto
Manhattan”, a cargo del general Laslie
Groves. Robert Oppenheimer encabezó el desarrollo científico y el trabajo de varios científicos y técnicos para
Más impresionante aún fue la
irreversibilidad de los daños
que generó la bomba atómica.
instrumentar la construcción de las bombas atómicas que se lanzarían, en agosto de 1945, en las ciudades de Hiroshima y Nagasaki,
Japón.
Después de las explosiones de Hiroshima y Nagasaki, Einstein se
unió a los científicos que buscaban la manera de impedir el uso de
la bomba; entre sus propuestas estuvo la formación de un gobierno mundial. En una entrevista, Einstein comentó que
cuando le preguntaron sobre algún arma capaz de contrarrestar el poder de la bomba atómica, él sugirió la
mejor de todas: la paz.
En este sentido, en cada avance científico prevalece la discusión ética sobre la ciencia y sus aplicaciones como fuente de conocimientos profundos sobre
el mundo o como fuente de posibles consecuencias no
benéficas para la humanidad. Lo cierto es que el alcance de
las consecuencias, benéficas o no, es cada vez más amplio.
Por otro lado, el trabajo en equipo (teamwork) es indispensable en
la producción del conocimiento científico. Si hace relativamente pocos
años un solo hombre podía diseñar, construir y disparar cohetes
impulsados con pólvora, hoy hacen falta cientos de personas especializadas en diferentes áreas de la ciencia y la tecnología para llevar seres
humanos o satélites artificiales fuera de la atmósfera terrestre; o bien,
para explorar cuerpos celestes muy distantes. Con ello siguen recolectándose evidencias de lo que existe a millones de kilómetros de
nuestro hogar.
Unidad I
19
El artículo
L a m is ión St ardust
Por Pablo Chávez Hernández
L
os cometas han llamado la atención
desde la antigüedad, primero como
móvil de la fantasía y de la imaginación,
luego como objeto de estudio científico.
De acuerdo con los resultados de las investigaciones más recientes en astronomía, los cometas pueden ser vestigios
de la formación planetaria y podrían incluso contener indicios del origen de
la galaxia.
La primera misión encaminada hacia esos objetos fue en 1978. Desde
entonces, proyectos europeos y estadounidenses han enviado sondas a diversos
cometas. Por ejemplo, en 1986, tras ocho
años de viaje, la nave ISEE/ICE, de la NASA,
llegó a 32 millones de kilómetros del cometa Halley. La misión europea Giotto lanzó al espacio una nave en 1985, que logró
reunir muestras del mismo astro desde
unos 500 kilómetros de su núcleo, aunque
fue dañada por la cola del cometa. La sonda del proyecto Deep Impact, también de
la NASA, chocó deliberadamente contra el
Ve más allá
La curiosidad es el motor del avance en el conocimiento. Investiga
sobre los esfuerzos para conocer a
fondo la estructura y composición
de los cometas. Consulta al menos
dos de las siguientes fuentes:
• Revista de divulgación científica
de la UNAM ¿Cómo ves?
• Internet:
www.astrocu.unam.mx,
www.astrosmo.unam.mx,
www.dgdc.unam.mx/
muegano_divulgador/,
www.planetario.ipn.mx
20
Fí si ca
cometa Tempel I, en 2005, obteniendo
muestras de su materia. Desde luego, no
todas las misiones espaciales han logrado
su cometido. Es el caso de la sonda Génesis; en 2004 se destruyó durante el aterrizaje, después de haber recolectado iones
solares.
La misión Stardust forma parte de
esa serie de esfuerzos investigativos. En
1999, la sonda del proyecto fue enviada
por la NASA hacia el cometa Wild 2, así
nombrado en memoria del astrónomo
suizo Paul Wild; se trata de una sonda de
cinco por diez kilómetros. Antes de alcanzar el cometa, la nave giró dos veces
alrededor del Sol; el 2 de enero de 2004
se alineó con su objetivo. Las 72 fotografías que obtuvo del cuerpo celeste muestran grandes rocas, cráteres y géiseres
de polvo y gas. A 240 kilómetros de Wild
2, la sonda desplegó un escudo para
protegerse de los gases y del polvo espacial contenidos en el halo del cometa;
después atrapó partículas del polvo con
ayuda de un dispositivo en forma de raqueta de tenis. Las partículas tendrían
una anchura aproximada a un décimo
del espesor del cabello humano. La herramienta fue fabricada con “aerogel”,
un cuerpo poroso y azul, parecido al
humo, compuesto casi en su totalidad
de aire. Tras recorrer 4 600 millones de
kilómetros durante siete años, la sonda
de Stardust volvió con éxito a la Tierra;
es el proyecto de menor duración en su
género. El análisis de las muestras obtenidas podría tardar hasta diez años para
su interpretación y obtención de conclusiones. Un grupo muy numeroso de voluntarios contribuirá a examinar el material valiéndose de un microscopio virtual,
en Internet. La tarea es gigantesca. Deberán analizarse cerca de un millón y
medio de fotografías; cada imagen
muestra una superficie más o menos
equivalente al tamaño de un grano de
sal. Los voluntarios buscarán allí las partículas de Wild 2. Algunos comentarios
de los científicos ilustran la magnitud de
tan minuciosa labor: “Es como si tuviéra-
mos que encontrar 45 hormigas en un
campo de futbol examinando 1.6 millones de cuadraditos de tierra, de cinco
centímetros cuadrados cada uno”.
En correspondencia con esta clase
de misiones, se piensa que los análisis
físicos y químicos de las muestras recogidas en la misión Stardust contribuirán
a esclarecer el origen de la Vía Láctea
y de nuestro Sistema Solar, el desarrollo de los océanos y de la atmósfera
terrestre.
El domingo 15 de enero de 2006,
hacia las dos de la mañana, alrededor
de las 4:00 horas en México, la cápsula
(la sonda estaba formada por una nave
nodriza y una cápsula) de la misión
Stardust entró a nuestra atmósfera cruzando la oscuridad del cielo boreal a
más de 46 000 kilómetros por hora; era
un objeto envuelto en llamas que atraía
la atención de científicos y técnicos expectantes. Los paracaídas amortiguaron
la caída de la sonda de 43 kilogramos
de peso sobre las arenas del desierto de
Utah, en un campo de entrenamiento
de la fuerza aérea estadounidense. Cuarenta y cinco minutos después del aterrizaje, los radares, las maniobras de los
helicópteros y el uso de rayos infrarrojos
permitieron localizar el pequeño objeto
en una superficie de 3 100 kilómetros cuadrados; partículas con una antigüedad
de 4 500 millones de años estaban, por
fin, al alcance de la mano. Stardust es la
primera misión que logra traer polvo de
un cometa a la Tierra. Una inversión
de 168 millones de dólares instrumentó,
en parte, esta inquietante aspiración del
deseo humano: conocer el pasado del
cosmos. Quizá algún día ese conocimiento nos permita comprender mejor
nuestro formidable origen, apreciar con
plenitud el presente y construir un destino favorable para la vida del planeta.
PABLO CHÁVEZ HERNÁNDEZ ES ESCRITOR Y
ACTUALMENTE
REALIZADOR DE AUDIOVISUALES.
TRABAJA EN PROYECTOS DE COMUNICACIÓN PARA EL
DESARROLLO SUSTENTABLE EN
MÉXICO.
Actividad
Contesta las siguientes preguntas.
■ ¿Qué parte de la nota te llamó más la atención?
■ ¿Crees que los motores del cohete estuvieron funcionando
durante todo el recorrido?
■ ¿Cuál será la razón por la que la sonda dió dos vueltas alrededor del Sol?
■ ¿Por qué se han hecho tantos esfuerzos para conocer a fondo la
estructura y composición de los cometas?
Integración del
aprendizaje
I.
■
■
■
■
■
Define los siguientes conceptos. Regresa al texto de la
unidad tantas veces sea necesario.
Física
Ciencia teórico-experimental
Ciencias f ísicas
Relación entre la f ísica y el entorno social y cultural
Relación entre la f ísica y la tecnología
II. Utiliza el siguiente espacio para realizar un mapa conceptual con los principales temas tratados en esta unidad.
Unidad I
Pasos para
elaborar un mapa
conceptual
El mapa conceptual es una
representación visual de la
estructura de la información.
1. Identifica el tema general
y escríbelo en la parte superior
o central del mapa. Las ideas o
conceptos se encierran en un
óvalo o en un rectángulo.
2. Identifica las ideas
principales o palabras clave del
texto, y su relación con el tema
principal; es decir, si se trata de
subtemas que conforman el tema
principal o a otro subtema.
3. Escribe los subtemas en un
óvalo de modo que su conexión
con el tema principal represente
la relación entre ellos.
4. Las relaciones o uniones
entre tema y subtemas se representan con líneas inclinadas,
verticales u horizontales (conectores); también puedes usar flechas.
Y a un lado de los conectores
puedes anotar palabras que describan la relación entre las ideas.
5. Si hay ideas o aspectos
específicos en cada subtema, escríbelos dentro de un óvalo
también, y colócalos debajo del
subtema o idea correspondiente.
No olvides representar su relación
con los subtemas.
Cuando un mapa conceptual se
utiliza a manera de resumen, lo
importante es que su organización
tenga significado para quien lo
realiza y le resulte útil para
entender el texto analizado. Por
tanto, puede tener formas
diferentes de acuerdo con la
organización de cada persona.
Éstos son dos ejemplos de
mapas conceptuales:
21
Evaluación del
aprendizaje
22
I.
Que el alumno realice un ensayo relativo a
alguna de las aportaciones que la exploración del espacio ha hecho a la vida cotidiana, por ejemplo: las celdas solares, las
telecomunicaciones, la miniaturización de
los componentes electrónicos, los aislantes térmicos, el futuro, etcétera.
4. Bibliograf ía:
• ¿Las fichas bibliográficas se ajustan a
las reglas de su presentación?
• ¿Qué tipos de obras consultó?
• ¿Aparecen las direcciones electrónicas
(páginas) de Internet?
■
Para la evaluación del ensayo deben tomarse
en cuenta cuatro aspectos:
1. Presentación:
• ¿Está realizado en el tipo y tamaño de
papel que se solicitó?
• ¿Presenta borrones, enmendaduras o
tachones?
• ¿El número de páginas está entre los
límites mínimo y máximo señalados?
• ¿Se elaboró en procesador de palabras,
máquina de escribir o a mano, según se
solicitó?
2. Contenido:
• ¿La carátula tiene todos los datos requeridos?
• ¿El tema elegido corresponde a los temas señalados en clase?
• ¿El texto desarrolla en forma congruente el tema elegido?
• ¿Es copia textual de alguna revista de
divulgación, libro de texto o enciclopedia? Si es así, ¿se anota la ficha bibliográfica?
• ¿Es sólo “recorte y pegado” de alguna(s)
página(s) de Internet?
3. Redacción y ortograf ía:
• ¿La redacción corresponde al nivel
educativo del alumno?
• ¿Expresa las ideas de manera congruente?
• ¿Sigue una línea de pensamiento que
explica el tema del ensayo?
• ¿La ortograf ía es correcta?
Por último, debe recordarse que el ensayo es
un escrito breve que no pretende estudiar a
fondo una materia.
Fí si ca
II. Anota tu propia definición de física.
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
III. Regresa a la página de inicio de la unidad
y lee el objetivo propuesto. En dos líneas
explica de qué manera alcanzaste el objetivo señalado.
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
IV. Razona bien las siguientes preguntas y
contesta brevemente.
1. ¿Por qué consideras necesario estudiar
Física?
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
2. ¿Qué otras aplicaciones de la f ísica reconoces en tu vida cotidiana, en tu casa, en
tu escuela y en tu comunidad?
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
Actividades
A. Desarrollo científico y modo de crecimiento de las ciencias
Si C representa una magnitud que determina el conjunto de conocimientos científicos
de una época, en un campo de la f ísica, representa cualitativamente la variación de C
en función del tiempo. Es decir, plasma en
una gráfica la forma de evolución de los conocimientos f ísicos.
Para ello, revisa la información de esta
unidad y busca apoyo en los siguientes sitios
de Internet:
• http://www.aip.org/history/
• http://www.physlink.com/Education/
History.cfm
• http://nti.educa.rcanaria.es/fundoro/
enlaces_hisci.htm
• http://www.fisicarecreativa.com/index.
htm
Y
Conocimiento físico acumulado
Tiempo (cientos de años) X
Explica algunos de los cambios profundos o
discontinuidades producidas en el desarrollo de las ciencias.
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
B. Panel de discusión
Con ayuda del profesor o la profesora, conformen dos equipos de trabajo. Uno de ellos
representará a científicos y políticos que trabajaban para Estados Unidos durante la
Segunda Guerra Mundial. El otro equipo representará a científicos y políticos que trabajaban para Alemania durante la Segunda
Guerra Mundial.
Cada equipo deberá investigar, desde su
propia perspectiva:
• momento histórico de su país
• postura política de su país frente al mundo y hacia el interior del país
• situación y papel desempeñado durante
la guerra
• lugar y alcance de las propias investigaciones científicas sobre armas de guerra
• consecuencias que la investigación científica del otro país podía acarrear para el
propio país
• posibilidades de negociación para impedir el uso de bombas atómicas
Una vez terminada la investigación y con
ayuda de su profesor o profesora, realicen
varias sesiones de discusión retomando el
problema ético que se plantea en el tema La
f ísica y el entorno socio cultural.
Unidad I
23
Física
Preuniversitario
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Física - ipesad

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