Orientaciones para el profesorado
En la historia inicial, y a lo largo de toda la unidad, está presente la necesidad de formular modelos y teorías que pretenden dar una explicación racional a los hechos experimentales que ocurrieron en la física alrededor de comienzo del siglo XX, y que tienen que ver con aspectos de la naturaleza que escapan de nuestra experiencia cotidiana, como son el mundo subatómico y el mundo de las velocidades elevadas, próximas a la velocidad de la luz.
Se han distribuido los contenidos en cuatro temas: El 1 y el 2 tratan los temas de relatividad e interacción nuclear. Pueden tratarse individualmente, con la única conexión de la coincidencia en el contexto histórico en el que se desarrollaron. El 3 y el 4 tratan la física cuántica y parece conveniente tratarlos de forma conjunta.
Puesto que toda la unidad gira en torno a la física desarrollada a lo largo del siglo XX, una buena manera de comenzarla es situando al estudiante en el contexto histórico de finales del siglo XIX. Hay que tener en cuenta que, aunque los estudiantes han estudiado varios cursos de física, probablemente no se le hayan presentado hasta ahora fenómenos que no pueden ser explicados con la física conocida. De hecho, puede ocurrir que no sepan a qué nos referimos cuando hablamos de física clásica. A esto hay que añadir que ninguno de los temas propuestos en la unidad han sido tratados en cursos anteriores lo que, junto con la casi nula experiencia directa de los fenómenos que se tratan, hace que los estudiantes apenas tengan ideas previas sobre los contenidos que se explican.
En cualquier caso, probablemente los estudiantes hayan oído hablar de las repercusiones de las teorías cuántica y relativista. Esto habitualmente abre un campo de estudio sobre cuestiones por las que habitualmente muestran un gran interés.
El alumno ya tiene conocimiento de la estructura del núcleo, pero no se ha cuestionado aún nada sobre la estabilidad nuclear, que debe ser el hilo por el que se recorren los distintos contenidos, desde los fenómenos de emisión radiactiva hasta las reacciones nucleares, incidiendo en los procesos de fusión y fisión nucleares. En cuanto a las aplicaciones de la energía nuclear mostramos algunas de ellas, sus ventajas y desventajas, procurando dar información precisa al estudiante para que pueda formarse una opinión respecto de la conveniencia o no de su desarrollo.
En relación con las tareas, se han propuesto dos, relacionadas con el combustible utilizado en los reactores nucleares y con el efecto fotoeléctrico. En ambos casos se ha pretendido que el estudiante analice de forma cualitativa la situación presentada, para realizar a continuación cálculos en los que se ponga de manifiesto el manejo de las magnitudes físicas que describen los fenómenos utilizados.
A lo largo de los temas aparecen ejercicios resueltos y reflexiones, además de una sección dedicada a las pruebas de acceso a la Universidad. Aquí se procura fomentar el razonamiento físico, aunque son necesarios los cálculos numéricos. En cualquier caso, desde los siguientes enlaces (Física cuántica y Nuclear), se puede acceder al histórico actualizado de exámenes de selectividad en Andalucía.
Criterios de evaluación
Al terminar la unidad, mediante la realización de las tareas propuestas el alumnado deberá ser capaz de:
- Reconocer los sistemas inerciales y el significado físico de la invarianza de las leyes físicas en ellos, así como la composición de velocidades y principio de relatividad de Galileo.
- Conocer los postulados de la relatividad especial de Einstein y sus implicaciones sobre la observación de magnitudes físicas desde sistemas de referencia diferentes en movimiento relativo uniforme.
- Comprender algunas de las implicaciones conceptuales de la Teoría de la Relatividad, particularmente aquellas que conducen a situaciones paradójicas al acercarse la velocidad de los sistemas a la de la luz.
- Conocer el modelo nuclear básico de protones y neutrones, las características de las partículas que lo constituyen y las interacciones dominantes en los dominios atómico y nuclear.
- Resolver cuestiones y/o problemas relativos a energía de enlace nuclear, defecto de masa y equivalencia masa-energía, relacionando estos valores con la estabilidad de los núcleos.
- Describir las características de los procesos de emisión radiactiva y las leyes que los gobiernan.
- Comprender los mecanismos de una reacción nuclear (fusión y fisión nucleares) y su justificación cualitativa a partir de la curva de estabilidad nuclear y de las leyes de conservación que deben verificarse, con especial atención a la conservación de la masa-energía y del número de nucleones.
- Con los datos precisos, calcular la energía que se desprende en procesos nucleares sencillos.
- Describir adecuadamente los fenómenos de la radiación térmica, efecto fotoeléctrico y el carácter discontinuo de los espectros atómicos, así como la insuficiencia de la teoría clásica para explicarlos.
- Conocer la interpretación de Einstein del efecto fotoeléctrico, reconociendo cómo esta interpretación permite una explicación satisfactoria del mismo,y aplicar correctamente la ecuación de Einstein en los problemas referentes al efecto fotoeléctrico.
- Comprender las nociones elementales de los principios básicos de la física cuántica (dualidad partícula-onda y principio de incertidumbre) y sus consecuencias (determinismo-probabilidad), así como la compatibilidad de las teorías clásica y cuántica y el dominio de validez de la física clásica.
- Utilizar e interpretar los resultados que se derivan de la aplicación sencilla de las relaciones de indeterminación.
En la valoración de las tareas se comprobará si el alumnado ha adquirido las capacidades anteriores, utilizando los criterios de calificación generales de la materia:
- la realización de esquemas y gráficas que muestren la comprensión de la situación a resolver
- razonamientos que den lugar a una percepción objetiva, clara y fundamentada de la situación
- la calidad de las explicaciones
- elaboración adecuada de los aspectos matemáticos necesarios y especificar los resultados en las unidades correctas
- la expresión de las unidades
- la buena presentación, redacción y ortografía.
Temas
Tema 1. Introducción a la Teoría Especial de la Relatividad
Partiendo de las relaciones de transformación de Galileo, se plantean las bases que dieron lugar al desarrollo la teoría especial de la relatividad de Einstein, incidiendo en las consecuencias que se derivan de ella.
Tema 2. Física Nuclear
Se presentan los fenómenos de emisión radiactiva y las leyes que los describen. A partir de la estructura básica nuclear, se plantea la cuestión de la estabilidad nuclear. Se analizan las reacciones nucleares más significativas y, a partir de ahí, se extraen consecuencias acerca de la producción de energía nuclear.
Tema 3. Crisis de la Física Clásica
Partiendo del estudio algunos hechos experimentales no explicados bien por la física clásica, como son la emisión de radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico y el análisis de espectros atómicos discontinuos, se introducen la hipótesis de Planck y la interpretación de Einstein del efecto fotoeléctrico como alternativas válidas para su explicación.
Tema 4. Física cuántica
Se estudia la dualidad onda partícula y el principio de indeterminación a partir de la hipótesis de De Broglie. También se presenta el modelo mecano-cuántico del átomo y algunas de las aplicaciones más conocidas de la física cuántica.