Física cuántica

Autor: Hernán Ferrari Responsable disciplinar: Silvia Blaustein Área disciplinar: Física Temática: Física cuántica. Limitaciones de la Física clásica Nivel: Secundario, ciclo básico Secuencia didáctica elaborada por Educ.ar

Propósitos generales

Promover el uso de los equipos portátiles en el proceso de enseñanza y aprendizaje.

Promover el trabajo en red y colaborativo, la discusión y el intercambio entre pares, la realización en conjunto de la propuesta, la autonomía de los alumnos y el rol del docente como orientador y facilitador del trabajo.

Estimular la búsqueda y selección crítica de información proveniente de diferentes soportes, la evaluación y validación, el procesamiento, la jerarquización, la crítica y la interpretación.

Introducción a las actividades

De vez en cuando, en la Física aparecen experimentos cuyos resultados no pueden ser explicados por las teorías y modelos de la naturaleza existentes hasta ese momento. Cuando para poder encontrar una explicación se deben realizar cambios muy grandes en las teorías, los mismos producen lo que se conoce como una revolución científica. Estas revoluciones ocurren cada vez que se tienen que cambiar las ideas centrales necesarias para explicar algún fenómeno. Un ejemplo de lo dicho son las teorías desarrolladas por Galileo y Newton, que destronaron las ideas de Aristóteles y explicaron el movimiento de los cuerpos celestes. Por otra parte, para explicar la existencia de las líneas espectrales en las emisiones de los átomos como en la propagación de la luz en el espacio se tuvo que modificar la mecánica clásica y aparecieron la mecánica cuántica y la mecánica relativista.

Objetivo de las actividades

Que los alumnos estudien los distintos procesos y avances de la Física en los últimos siglos y las revoluciones que ocurrieron y permitieron explicar las nuevas observaciones que aparecieron a lo largo del tiempo.

Actividad 1

1. Observen el siguiente video sobre la Física moderna y luego resuelvan las consignas del cuestionario.



a) ¿Qué leyes gobiernan el mundo a escala macroscópica y cuáles a escala microscópica?
b) ¿Por qué razón no sería de utilidad tener todas las soluciones de las últimas ecuaciones que describan al universo?
c) ¿En qué consiste el trabajo de un físico para llegar a dominar las características esenciales de cualquier fenómeno dado?
d) ¿Qué ejemplos de comportamientos, que nadie había advertido previamente se mencionan en el video? ¿Quiénes los observaron?
e) ¿Cuál es la primera revolución en la Física que menciona el video y cuál es la segunda revolución, ocurrida en el siglo pasado? ¿Qué problemas intentaban resolver en cada caso?
f) ¿A qué ecuación reducía la primera revolución los fenómenos de los cielos y la Tierra? Mencionen algunos de los problemas que resolvía esta ecuación enunciados en el video.
g) ¿Qué observó Faraday sobre la electricidad y el magnetismo variable en el tiempo? ¿Quién captó el significado del flujo variable? ¿Qué famosa constante encontró este físico?
h) ¿Cuáles eran los pequeños fallos que hacían tambalear los cimientos de la Física basada en la mecánica de Newton y el electromagnetismo de Maxwell?
i) ¿Cuál era el problema que intentaba explicar Max Planck? ¿Qué tuvo que introducir este físico para resolver este problema?
j) ¿Qué experimento realizó Rutherford con partículas alfa y una delgada película de oro y cuál fue su resultado?
k) ¿Cuáles fueron los años en los que comenzaron las dos revoluciones y quiénes las comenzaron?
l) ¿Cómo podía explicar los resultados de Michelson y Morley el físico Lorentz?
m) ¿De qué manera resolvió este problema Einstein?
n) Mientras trataba de explicar el problema de la caída de los cuerpos, ¿qué explicación dio Einstein sobre el espacio-tiempo en presencia de una fuerza de gravedad?
2. Realicen un informe con el programa Write de sus equipos portátiles que incluya las distintas respuestas de la actividad y las conclusiones a las que hayan podido arribar.

Actividad 2

1. Observen la segunda parte del video sobre la Física moderna para responder el cuestionario.
a) ¿Por la explicación de qué experimento fue galardonado Einstein con un premio Nobel? Si, como había sido demostrado por Young y otros mediante experimentos de interferencia y difracción, la luz era una onda, ¿como debía comportarse para explicar el efecto fotoeléctrico de Einstein, según la idea de Planck de paquetes de energía?
b) ¿Qué produce una carga eléctrica acelerada según la teoría de Maxwell?
c) Así como Copérnico situó al Sol en el centro del sistema solar, ¿cuál fue el modelo propuesto por Rutherford para el núcleo atómico?
d) ¿Por qué razón los cuerpos sobre la Tierra no salen lanzados hacia el espacio?
e) ¿Cuál era la predicción para un electrón que gira alrededor del núcleo con movimiento circular uniformemente acelerado según el electromagnetismo de Maxwell? ¿Se cumple?
f) A pesar de lo visto en el punto anterior, el átomo de hidrógeno es muy estable y el electrón no cae en su órbita hacia el núcleo. ¿Qué explicación dio Bohr a este problema? ¿Qué órbitas eran posibles para los electrones en el átomo de hidrógeno?
g) ¿Quién fue el autor de las propuestas que consideraron a los electrones como ondas con interferencias constructivas y que explicaron las órbitas de Bohr? ¿Qué sostienen las mismas?
h) ¿Cuál es la idea que expresa el principio de incertidumbre de Heisenberg?
i) ¿Qué imagen diferente a la del átomo de Bohr dio la ecuación de Schrödinger?
j) ¿Cuál es la idea de la Física clásica que desafía la Física cuántica? ¿Cuáles son las que se conservan, tanto en la mecánica clásica como en la mecánica cuántica y la física relativista?
k) Si se conoce la posición exacta de una partícula subatómica, ¿se puede conocer a qué velocidad o en qué dirección se mueve?

2. Realicen un informe con el programa Write de sus equipos portátiles que incluya las distintas respuestas de la actividad y las conclusiones a las que hayan podido arribar.