Fisica I

APUNTES DE F´
ISICA I
———————–

Reg. No.: 03-2007-02413370900-01
Queda prohibida su reproducciń total o parcial
o
por cualquier medio, fisico o electrńico,
o c. Dr. Neptal´ Z´rate V´squez
ın a a
sin el el permiso de autor. Profesor de F´
ısica

Tlaxcala, Tlax., Verano 2007

i

Dedicatorias

Al Dios feliz y del orden; El Excelent´ısimo, El poderoso
Se˜ or de los Ej´rcitos. Le damos gracias por permitir-
n e
nos entender un poquito de la grandeza de su creaci´n o
[Jer 31:35, 33:25, Isa. 40:26, Sal. 19:7-11, 2 Tim. 3:16,
Job 26:7, 8, 10-12, 38:-41:, Ecles. 1:4-7, Am´s 5:8].
o

´
Indice general

Pr´logo
o 1

UNIDAD I Introducciń al Conocimiento de la
o
F´ısica 6
1.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.1. La F´ ısica y su Impacto en la Ciencia y la
Tecnolog´ ıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.1.2. Los M´todos de Investigaciń y su Rele-
e o
vancia en el Desarrollo de la F´ ısica. . . . . 41
1.2. Magnitudes F´ ısicas y su Mediciń. . . . . . . . . .
o 45
1.2.1. Magnitudes Fundamentales y Derivadas. . 48
1.2.2. Sistemas de Unidades CGS e Ingl´s. . . . .
e 50
1.2.3. El Sistema Internacional de Unidades, Ven-
tajas y Limitaciones. . . . . . . . . . . . . 51
1.2.4. M´todos Directos e Indirectos de Mediciń.
e o 56
1.2.5. Notaciń en Base 10 (Prefijos). . . . . . .
o 56
1.2.6. Transformaciń de Unidades Entre Siste-
o
mas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.2.7. 1a Autoevaluaciń . . . . . . . . . . . . .
o 66
1.2.8. La Precisiń de los Instrumentos de Me-
o
diciń, Tipos de Errores. . . . . . . . . . .
o 81
1.3. Vectores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

iv ´
INDICE GENERAL

1.3.1. Diferencia Entre las Magnitudes Escalares
y Vectoriales. . . . . . . . . . . . . . . . . 91
1.3.2. Caracter´ ısticas de un Vector. . . . . . . . . 93
1.3.3. Representaciń Gr´fica de Sistemas de Vec-
o a
tores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
1.3.4. Descomposiciń y Composiciń de Vecto-
o o
res M´todos Gr´ficos y Anal´
e a ıticos. . . . . . 99

UNIDAD II MOVIMIENTO 121
2.1. Movimiento en una Dimensiń . . . . . . . . . . . 122
o
2.1.1. Conceptos Fundamentales. . . . . . . . . . 122
2.1.2. Sistemas de Referencia (SR). . . . . . . . . 122
2.1.3. Movimiento Rectilineo Uniforme (MRU). . 129
2.1.4. 2a Autoevaluaciń . . . . . . . . . . . . . 144
o
2.1.5. Movimiento Rectilineo Uniformemente Ace-
lerado (MRUV o MUA). . . . . . . . . . . 150
2.1.6. Caida Libre y Tiro Vertical . . . . . . . . 159
2.2. Movimiento en Dos Dimensiones. . . . . . . . . . 168
2.2.1. Tiro Parab´lico Horizontal y Oblicuo. . . . 168
o
2.2.2. Movimiento Circular. . . . . . . . . . . . . 182

UNIDAD III LEYES DE NEWTON, TRABAJO,
POTENCIA Y ENERG´ IA 200
3.1. Leyes de Newton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
3.1.1. Concepto de Fuerza • Tipos • Peso de los
Cuerpos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
3.1.2. Fuerzas de Fricciń Est´tica y Din´mica. . 212
o a a
3.1.3. Primera Ley de Newton (• Ley de Inercia). 215
3.1.4. Segunda ley de Newton (• Ley de Fuerza). 218
3.1.5. 3a Autoevaluaciń . . . . . . . . . . . . . 231
o

´
INDICE GENERAL v

3.1.6. Tercera Ley de Newton (• Ley de Acciń o
y Reacciń). . . . . . . . . . . . . . . . .
o . 238
3.1.7. Ley de la Gravitaciń Universal. . . . . .
o . 240
3.2. Trabajo, Potencia y Energ´ Mecńica. . . . . .
ıa a . 248
3.2.1. Trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
3.2.2. Potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
3.2.3. Energ´ Mecńica (Potencial y Cin´tica).
ıa a e . 254
3.2.4. Principio de Conservaciń de la Energ´
o ıa
Mecńica. . . . . . . . . . . . . . . . . .
a . 257
3.2.5. Impulso y Cantidad de Movimiento. . . . . 260
3.2.6. Principio de la Consevaciń de la Canti-
o
dad de Movimiento. . . . . . . . . . . . . . 264
3.2.7. Colisiones (Choques) . . . . . . . . . . . . 266
3.2.8. Coeficiente de Restituciń . . . . . . . .
o . 273
a
3.2.9. 4 Autoevaluaciń . . . . . . . . . . . .
o . 283

Bibliograf´
ıa 295

Apńdices
e 300
6.1. Apendice A: Respuestas a Preguntas y Ejercicios 302
6.2. Apendice B: Funciones y Gr´ficas . . . . . . . . . 302
a
6.3. Apendice C: Tipos de Proporcionalidad . . . . . . 307

´
Indice de cuadros

1.5. Unidades Fundamentales en tres Sistemas de Uni-
dades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.6. Unidades Fundamentales del SI. . . . . . . . . . . 54
1.7. Equivalencia entre Sistemas de Unidades. . . . . . 55
1.8. Potencias de Base 10 . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.1. Tabla de datos del ejemplo: 2.1.3.1 . . . . . . . . 133
2.2. para el problema 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
2.3. Ecuaciones del MRUV. . . . . . . . . . . . . . . . 153
2.4. Ecuaciones del MCUV ´ MCUA . . . . . . . . .
o . 196
3.1. Coeﬁcientes de Rozamiento Cin´tico para Dife-
e
rentes Materiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
3.2. Coeﬁcientes de Rozamiento Est´tico y Din´mico
a a
para Diferentes Materiales. . . . . . . . . . . . . . 230
3.3. Costo por kW − Hr en Tlaxcala abril 2,007 . . . 252

viii ´
INDICE DE CUADROS

´
Indice de figuras

1.1. Sabios de la Antigëdad. . . . . . . . . . . . . . .
u 18
1.2. Cient´ıficos de la Mecńica Cuńtica. . . . . . . .
a a 19
1.3. Cient´ıficos de loa Quarks. . . . . . . . . . . . . . 20
1.4. Propiedades de la Materia. . . . . . . . . . . . . . 31
1.5. Representaciń de un Cubo de Hierro para el Ejem-
o
plo 1.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.6. Mapa Conceptual de Fen´meno . . . . . . . . . .
o 38
1.7. Tipos de Fuerza en la Naturaleza. . . . . . . . . . 40
1.8. Componentes de la Materia . . . . . . . . . . . . 40
1.9. Diagrama de flujo del M´todo Cient´
e ıfico. . . . . . 42
1.10. Mapa Conceptual de Los Diferentes Tipos de Erro-
res. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
1.11. Vector y sus Caracter´ ısticas: O: Origen, F: Senti-
do, θx : Direcciń, X: Eje de Referencia. . . . . . .
o 94
1.12. Clasificaciń de Vectores 1 . . . . . . . . . . . . .
o 95
1.13. Clasificaciń de Vectores 2 . . . . . . . . . . . . .
o 96
1.14. Proceso que sufre un vector al actuar en un cuer-
po por el principio de transmisibilidad. . . . . . . 97
1.15. v 20 uv 30◦ ր. Ejemplo: 1.3.3.1 . . . . . . . . . . 98
1.16. 600 km →, figura para el ejemplo: 1.3.3.2. . . . . .
hr 99
1.17. Igualdad de Vectores. . . . . . . . . . . . . . . . . 100
1.18. Vector Negativo de A. . . . . . . . . . . . . . . . 100

x ´
INDICE DE FIGURAS

1.19. Suma de Vectores, indicando el N´mero del paso
u
Realizado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
1.20. Soluciń del Ejemplo 1.3.4.1 V1 = 4 pasos V2 = 3
o
pasos, R = V1 + V2 = 7 pasos →. . . . . . . . . . 104
1.21. Soluciń al Ejemplo 1.3.4.2 V1 = 10pasos ր,
o
V2 = 7pasos ց, R = V1 + V2 = 12,3 pasos 10◦ ր . 104
1.22. Resta de Vectores, Indicando el N´mero del paso
u
Realizado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
1.23. Suma de Vectores por el M´todo del Pol´
e ıgono . . 107
1.24. Resultante de la suma de los vectores de la figura:
1.23 por el M´todo del Pol´
e ıgono . . . . . . . . . . 108
1.25. Representaciń de un Vector y sus Componentes
o
Rectangulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
` ν o` ´ν
1.26. Hipotenusa del gr. υ ιπoτ ǫηo`ςα ´ υ πoτ ǫλ`ω fijar,
sujetar fuertemente una cosa a otra . . . . . . . . 110
1.27. Figura para el Ejemplo 1.3.4.2. . . . . . . . . . . 112
2.1. Observaciń de un Movimiento y su Vector de
o
Posiciń (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
o
2.2. Sistema de Referencia en Tres Dimensiones . . . . 125
2.3. Vectores de Posiciń (ri ) y Desplazamiento (D =
o
∆r = r2 − r1 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
2.4. Figura para el problema: 2.1.2 . . . . . . . . . . . 128
2.5. Posiciń (r), Distancia (x) y Desplazamiento (d =
o
∆r = ∆x) en un Movimiento Rectilineo . . . . . . 129
2.6. Gr´fica del Movimiento Rectil´
a ıneo Uniforme (MRU).132
2.7. Gr´fica d vs t para el ejemplo: 2.1.3.1. . . . . . . 133
a
2.8. Gr´fica d vs t para el MRU . . . . . . . . . . . . 136
a
2.9. Gr´fica r vs t de la figura 2.8. . . . . . . . . . . . 137
a
2.10. Representaciń gr´fica para el problema 2.1.3.1 . 138
o a
2.11. Representaciń gr´fica para el problema 2.1.3.2. . 139
o a

´
INDICE DE FIGURAS xi

2.12. Representaciń gr´fica del problema 2.1.3.3. . . . 140
o a
2.13. Prćtica: Movimiento rectil´
a ıneo Uniforme. . . . . 142
2.14. Ejemplo 2.1.5.1 del MRUV . . . . . . . . . . . . . 154
2.15. Ejemplo 2.1.5.2 MRUV . . . . . . . . . . . . . . . 155
2.16. Ejemplo 2.1.5.3 MRUV . . . . . . . . . . . . . . . 157
2.17. Formas de Lanzar un Proyectil . . . . . . . . . . . 160
2.18. Tiro Vertical de un Proyectil, (la l´ ınea puntea-
da del color del proyectil indica la trayectoria de
bajada.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
2.19. Ejemplo 2.1.6 Tiro Vertical . . . . . . . . . . . . . 162
2.20. Tiro Horizontal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
2.21. Figura para el problema 2.2.1. . . . . . . . . . . . 173
2.22. Gr´fica del Movimiento Parab´lico, mostrando las
a o
velocidades en varios puntos. . . . . . . . . . . . . 174
´
2.23. Envolvente de las Trayectorias Cuyo Angulo de
Disparo est´ Entre 0 y 180o (Par´bola de Seguridad)177
a a
2.24. Ejemplo 2.2.1 Tiro Parab´lico. . . . . . . . . . . . 178
o
2.25. Gr´fica del Movimiento Circular . . . . . . . . . . 183
a
2.26. Velocidad Lineal(v) . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
2.27. Diagrama para el ejercicio 2.2.2 . . . . . . . . . . 188
2.28. Aceleraciń Centr´
o ıpeta . . . . . . . . . . . . . . . 192
2.29. Diagrama para el ejercicio 2.2.2 . . . . . . . . . . 194
2.30. Diagrama para el ejercicio 1 . . . . . . . . . . . . 197
2.31. Diagrama para el ejercicio 2 . . . . . . . . . . . . 198
3.1. Joseph Louis Lagrange, Jean le Rond d’Alembert
y William Rowan Hamilton. . . . . . . . . . . . . 205
3.2. Vector Fuerza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
3.3. Fuerza Puntual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
3.4. Fuerzas Distribuidas . . . . . . . . . . . . . . . . 208
3.5. Fuerzas Por su Forma de trabajo . . . . . . . . . 209

3.6. Origen del Rozamiento . . . . . . . . . . . . . . . 214
3.7. Otra Forma en que Actua el Rozamiento sobre
un Cuerpo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
3.8. Fuerza Normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
3.9. Fuerza Normal y Rozamiento en un Plano inclinado216
3.10. Diagrama Representando la Fuerza Normal (ej.
3.1.4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
3.11. Diagrama Representando Plano Inclinado (ej. 3.1.4)224
3.12. Acciń y Reacciń de la Tercera Ley de Newton . 239
o o
3.13. Figura que muestra las tres leyes de Kepler . . . . 244
3.14. Choque de Dos Cuerpos . . . . . . . . . . . . . . 265
3.15. a.- Una bola en movimiento golpea una bola en
reposo. b.- Colisiń frontal entre dos bolas en mo-
o
vimiento. c.- Colisiń de dos bolas que se despla-
o
zan en la misma direcciń. . . . . . . . . . . . . . 270
o
3.16. Sistema: Cohete y Combustible expulsado para
un intervalo determinado de tiempo. . . . . . . . 275
3.17. Forma de las alas, Cualquiera Funcionan Bien . . 277
3.18. figuras para la Construcciń del Cohete. . . . . . 278
o
6.1. Funciń Lineal y = k . . . . . . . . . . . . . . . . 303
o
6.2. Funciń Lineal y = kx . . . . . . . . . . . . . . . 304
o
6.3. Funciń Lineal y = kx + b . . . . . . . . . . . . . 304
o
6.4. Funciń Cuadr´tica y = x2 . . . . . . . . . . . . . 305
o a
1
6.5. Funciń Inversa y = x . . . . . . . . . . . . . . . 306
o
1
6.6. Funciń Inversa Cuadr´tica y = x2 . . . . . . . . 306
o a

Pr´logo
o

Este trabajo que se presenta, es el fruto de mas de 20 aõs de
n
experiencia en la enseãnza de la F´
n ısica a nivel medio superior,
es adecuado al programa de la SEP para el nivel mencionado,
´
inicia con la INTRODUCCION AL CONOCIMIENTO DE LA
FÍSICA, las GENERALIDADES, como la historia de la F´ ısica,
la cual es tan interesante como lo es la lectura de una novela
de misterio, en seguida; La F´ ısica y su Impacto en la Ciencia
y la Tecnolog´ donde se presentan las diferencias entre estos
ıa,
conceptos, luego Los M´todos de Investigaciń y su Relevancia
e o
en el Desarrollo de la Ciencia, las Magnitudes F´ ısicas y su Medi-
ciń, las Magnitudes Fundamentales y Derivadas, los Sistemas
o
De Unidades CGS e Ingl´s, El Sistema Internacional de Uni-
e
dades con sus Ventajas y Limitaciones asi tambiń los M´todos
e e
Directos e Indirectos de Mediciń, la Notaciń Cient´
o o ıfica y Prefi-
jos presentando algunas formas curiosas de enseãnza, siguiendo
n
la Transformaciń de Unidades de un Sistema a Otro, situaciń
o o
necesaria para entender como se debe medir y aplicar a la vida
diaria.
Al hacer una dosificaciń del programa, se presenta en es-
o
te punto una autoevaluaciń par continuar con La precisiń de
o o
Los Instrumentos en la Mediciń de Diferentes Magnitudes y
o
los tipos de errores, luego continá con las cantidades tan im-
u
portantes para la F´ ısica como lo constituyen los Vectores y las

4 Pr´logo
o

Diferencias Entre las Magnitudes Escalares y Vectoriales, las
Caracter´ısticas de los Vectores y su Representaciń Gr´fica de
o a
los Sistemas de Vectores tales como; Coplanares, no Coplanares,
Deslizantes, Libres Colineales y Concurrentes y su Descomposi-
ciń y Composiciń de Vectores por M´todos Gr´ficos y Anal´
o o e a ıti-
cos.
En la UNIDAD II se presenta el MOVIMIENTO, primero en
una Dimensiń situaciń la cual es la mas sencilla, presentando
o o
los Conceptos de Distancia , Desplazamiento Rapidez, Veloci-
dad, y Aceleraciń. Los Sistemas de Referencia Absoluto y Re-
o
lativo, y luego, el Movimiento Rectil´
ıneo Uniforme, presentando
en este punto la segunda autoevaluaciń. Se sigue aqu´ con el
o ı
Movimiento Rectil´ ıneo Uniformemente Variado. la Caida Libre
y el Tiro Vertical as´ como ejemplos del MUA o MRUV Movi-
ı
miento Rectilineo Uniforme Acelerado.
Se continá con el MOVIMIENTO EN DOS DIMENSIO-
u
NES, como son: el Tiro Parab´lico Horizontal y Oblicuo, en
o
seguida El Movimiento Circular Uniforme y el Movimiento cir-
cular uniformemente Acelerado.
La Tercera Unidad, presenta los tema sobre las LEYES DE
NEWTON, el TRABAJO, la POTENCIA y para terminar la
ENERG´ Iniciando con las Leyes de Newton, primero con los
IA.
conceptos de FUERZA, sus Tipos y una cantidad importante de
entender y diferenciar con la masa; el Peso de los Cuerpos, luego
u ´
se continá con las FUERZAS DE FRICCION, tanto Est´tica a
como din´mica, se continá con el enunciado y descripciń de la
a u o
Primera Ley de Newton o ley de Inercia, importante para enten-
der porque un cuerpo podr´ moverse con Movimiento Rectili-
ıa
neo Uniforme, situaciń hipot´tica pero necesaria para entender
o e
Porque se mueven los cuerpos.

Pr´logo
o 5

El siguiente temas es la Segunda Ley de Newton la cual ex-
plica el porque del movimiento.
En este punto se presenta la tercera autoevaluaciń por las
o
razones que se mencionaron anteriormente.
Se sigue con la Tercera Ley de Newton o Ley de acciń y o
Reacciń concepto que explica porque reacionan las cosas de la
o
manera que sabemos. Sigue con la Ley de Gravitaciń Universal
o
la cual explica el movimiento planetario.
El Trabajo, la Potencia, y la Energ´ Mecńica tanto la Po-
ıa a
tencial como la Cin´tica, son los conceptos que se tratan a con-
e
tinuaciń y luego uno de los principios fundmentales de las leyes
o
de conservaciń; la “Ley de la Conservaciń de la Energ´ Para
o o ıa”.
finalizar, se presenta otro principio fundamental de las leyes de
conservaciń, la “ley de la Conservaciń del ´
o o Impetu y la Canti-
dad de Movimiento”.
Se termina con la cuarta autovaluaciń dando fin asi con el
o
curso de “F´ ısica I”, sin dejar de mencionar que est´ en prepara-
a
ciń el libro de “F´
o ısica II”, libro que se presentar´ en fechas no
a
muy lejanas.
Para las evaluaciones, se hatratdo de encuadrarlas dentro de
las seis categor´ de las competencias gen´ricas del perfil del
ıas e
egresado de la educaciń medio superior.
o
Antes de dar fin a estas palabras, quiero asumir toda la res-
ponsabilidad por los errores tanto conceptuales como ortogr´fi- a
cos y de cualquier tipo que puedan ser encontrados en estas
l´
ıneas y las que siguen, agradeciendo de antemano cualquier co-
municaciń al respecto.
o
Neptalń Z´rate V´squez
ı a a

Introducciń al Conocimiento
o
de la F´
ısica

“. . . ofrezco este trabajo como
los principios matem´ticos de la filosofá,
a ı
pues la tarea mayor de la filosofá parece consistir en esto:
ı
de los fen´menos del movimiento investigar las fuerzas
o
de la naturaleza, y entonces,
de esas fuerzas, demostrar los otros fen´menos;. . . ”
o
ISAAC NEWTON
Principos Matem´ticos de la Filosofá Natural.
a ı

Isaac Newton (1642 − 1727) Principia Mathematica.

8 Introducciń al Conocimiento de la F´
o ısica

1.1. Generalidades

Historia de la F´
ısica.
Aõ
n Evento
624– Thales de Mileto postula que el agua es la susta
547 a. e. c. cia b´sica de la Tierra. Tambiń estaba enterado de
a e
la fuerza de atracciń entre imanes y del efecto
o
en el ´mbar, al frotarlo.
a
580– Pit´goras sostuvo que la Tierra era esf´rica.
a e
500 a. e. c. Busc´ una comprensiń matem´tica del universo.
o o a
500 Anax´goras desafi´ la afirmaciń de los griegos,
a o o
–428 a. e. c. sobre la creaciń y destrucciń de la materia,
o o
enseãndo que los cambios en la materia se deben
n
a diferentes ordenamientos de part´ ıculas indivisibles
(sus enseãnzas fueron un antecedente para la ley de
n
conservaciń de la masa).
o
484– Emp´docles redujo estas partes indivisibles a cuatro
e
424 a. e. c. elementos: tierra, aire, fuego, y agua.
460– Demćrito desarroll´ la teor´ que el universo est´
o o ıa a
370 a. e. c. formado por espacio vac´ y un n´mero (casi)
ıo u
infinito de part´ıculas invisibles, que se diferencian
unas de otras en su forma, posiciń, y disposiciń.
o o
Toda la materia est´ hecha de part´
a ıculas indivisibles
continá en la sig. pag.
u

1.1 Generalidades 9

Historia de la F´
ısica. (continued )
Aõ
n Evento
llamadas ´tomos.
a
384 Arist´teles formaliz´ la recopilaciń
o o o
–322 a. e. c. del conocimiento cient´ ıfico. Si bien es dif´ seãlar
ıcil n
como suya una teor´ en particular, el resultado glo-
ıa
bal de esta compilaciń de conocimientos fue proveer
o
las bases fundamentales de la ciencia por unos mil
aõs.
n
310– Aristarchus Describe una cosmolog´ idńtica
ıa e
230 a. e. c. a la propuesta por Cop´rnico 2, 000 aõs m´s tarde.
e n a
Sin embargo, dado el gran prestigio de Arist´teles,
o
el modelo heliocńtrico de Aristarchus fue rechazado
e
en favor del modelo geocńtrico.
e
287– Arqu´ımedes fue un gran pionero en f´ ısica te´rica.
o
212 a. e. c. Proporcion´ los fundamentos de la hidrost´tica.
o a
70– Ptolomeo de Alejandr´ recogi´ los conocimientos
ıa o
147 e. c. ´pticos de su ´poca. Tambiń invent´ una compleja teor´
o e e o ıa
del movimiento planetario.
∼ 1000 e. c. Alhazen, ´rabe, produjo 7 libros sobre ´ptica.
a o
1214– Roger Bacon ense˜´ que para aprender los secretos de la
no
1294 e. c. naturaleza, primero debemos observar. Por lo tanto indic´ elo
m´todo con el cual la gente puede desarrollar teor´
e ıas
deductivas, usando las evidencias del mundo natural.
u

o ısica

Historia de la F´
Aõ
n Evento
1473– Nicol´s Cop´rnico impuls´ la teor´ de que la Tierra
a e o ıa
1543 e. c. gira alrededor del sol. Este modelo heliocńtrico
e
fue revolucionario porque desafi´ el dogma vigente,
o
a causa de la autoridad cient´ıfica de Arist´teles,
o
y caus´ una completa conmociń cient´
o o ıfica y filos´fica.
o
1564– es considerado por muchos como el padre
1642 de la f´
ısica moderna, por su preocupaciń por reemplazar
o
los viejos postulados, en favor de teor´ nuevas,
ıas
deducidas cient´ıficamente. Es famoso por sus teor´ ıas
sobre la mecńica celeste, y sus trabajos en el ´rea
a a
de la mecńica, que le abrieron camino a Newton.
a
u

Historia de la F´
ısica.
Aõ
n Evento
1571– Tycho Brahe y Johannes Kepler. Los datos de los movi-
1630 mientos de objetos celestes muy exactos de Brahe, le
permitieron a Kepler desarrollar su teor´ del movimiento
ıa
planetario el´
ıptico, y proporcionaron una evidencia para el
sistema Copernicano. Adem´s, Kepler escribi´ una descrip-
a o
ciń cualitativa de la gravitaciń.
o o
1642– Sir Isaac Newton desarroll´ las leyes de la mecńica
o a
u

1.1 Generalidades 11

Historia de la F´
Aõ
n Evento
1727 (la ahora llamada mecńica cl´sica), que explican el
a a
movimiento de los objetos en forma matem´tica. a
1773– Thomas Young desarroll´ la teor´ ondulatoria de la luz
o ıa
1829 y describi´ la interferencia de la luz.
o
1791– Michael Faraday cre´ el motor elćtrico, y fue capaz
o e
1867 de explicar la inducciń electromagn´tica, que proporciona
o e
la primera evidencia de que la electricidad y el magnetismo
estń relacionados. Tambiń descubri´ la electr´lisis y descri-
a e o o
bi´ la ley de conservaciń de la energ´
o o ıa.
1799– Las investigaciones de Joesph Henry sobre inducciń electro-
o
1878 magn´tica, fueron realizadas al mismo tiempo que las de Fa-
e
´
raday. El construy´ el primer motor; su trabajo con el electro-
o
magnetismo condujo directamente al desarrollo del tel´grafo.e
1873 James Clerk Maxwell realiz´ investigaciones importantes en
o
tres ´reas: visiń en color, teor´ molecular, y teor´ electro-
a o ıa ıa
magn´tica. Las ideas subyacentes en las teor´ de Maxwell
e ıas
sobre el el electromagnetismo, describen la propagaciń o
de las ondas de luz en el vac´ ıo.
1874 George Stoney desarroll´ una teor´ del electrń y estim´
o ıa o o
su masa.
1895 Wilhelm R¨ntgen descubri´ los rayos x.
o o
1898 Marie y Pierre Curie separaron los elementos radioactivos.
u

o ısica

Historia de la F´
Aõ
n Evento
1898 Joseph Thompson midi´ el electrń, y desarroll´ su modelo
o o o
“de la torta con pasas” del ´tomo - dice que el ´tomo
a a
es una esfera con carga positiva uniformemente distribuida,
con pequeõs electrones negativos como pasas adentro.
n
1900 Max Planck sugiri´ que la radiaciń est´ cuantificada
o o a
(aparece en cantidades discretas).
1905 Albert Einstein, uno de los pocos cient´ ıficos que tom´ o
en serio las ideas de Planck; propuso un cuanto de luz
(el fotń) que se comporta como una part´
o ıcula. Sus otras
teor´ explicaronla equivalencia entre la masa y la energ´
ıas ıa,
la dualidad part´ıcula-onda de los fotones, el principio de
equivalencia, y especialmente la relatividad del espacio tiempo.
1909 Hans Geiger y Ernest Marsden, bajo la supervisiń de Ernest
o
Rutherford, dispersaron part´ ıculas alfa mediante una hoja de
oroy observaron grandes ńgulos de dispersiń; sugirieron que
a o
los ´tomos tienen un nćleo pequeõ y denso, cargado positi-
a u n
vamente.
1911 Ernest Rutherford infiri´ la existencia del nćleo como resulta-
o u
do de la dispersiń de las part´
o ıculas alfa en el experimento
realizado por Hans Geiger y Ernest Marsden.
1912 Albert Einstein explic´ la curvatura del espacio-tiempo.
o
1913 Niels Bohr tuvo ´xito al construir una teor´ de la estructura
e ıa
u


Historia de la F´
Aõ
n Evento
at´mica, basńdose en ideas cuńticas.
o a a
1919 Ernest Rutherford encontr´ la primer evidencia de un protń.
o o
1921 James Chadwick y E.S. Bieler concluyeron que alguna fuerzas
fuertes tienen que mantener unido el nćleo.
u
1923 Arthur Compton descubri´ la naturaleza cuńtica (part´
o a ıcula)
de los rayos x, confirmando de este modo al fotń o
como part´ ıcula.
1924 Louis de Broglie propuso que la materia tiene propiedades
ondulatorias.
1925 Wolfgang Pauli formul´ el principio de exclusiń para
o o
(enero) los electrones de un ´tomo.
a
1925 Walther Bothe y Hans Geiger demostraron que la energ´ ıa
(Abril) y la masa se conservan en los procesos at´micos.
o
1926 Erwin Schr¨dinger desarroll´ la mecńica ondulatoria, que
o o a
describe el comportamiento de sistemas cuńticos constituidos
a
por bosones. Max Born le di´ una interpretaciń probabil´
o o ıstica
a la mecńica cuńtica. G.N. Lewis propuso el nombre de
a a
“fotń” para el cuanto de luz.
o
1927 Se observ´ que ciertos materiales emiten electrones (decai-
o
miento beta). Dado que ambos, el ´tomo y el nćleo, tienen
a u
niveles discretos de energ´ es dif´ entender por qu´ los
ıa, ıcil e
electrones producidos en esta transiciń, pueden tener un
o
u

o ısica

Historia de la F´
Aõ
n Evento
espectro continuo (vea 1930 para tener una respuesta).
1927 Werner Heisenberg formul´ el principio de incertidumbre:
o
cuanto m´s sabe ud. sobre la energ´ de una part´
a ıa ıcula, menos
sabr´ sobre el tiempo en el que tiene esa energ´ (y vice versa.)
a ıa
La misma incertidumbre se aplica al ´ ımpetu y la coordenada.
1928 Paul Dirac combin´ la mecńica cuńtica y la relatividad
o a a
especial para describir al electrń.
o
u

Historia de la F´
ısica.
Aõ
n Evento
1930 La mecńica cuńtica y la relatividad especial estń bien
a a a
establecidas. Hay tres part´
ıculas fundamentales: protones,
electrones, y fotones. Max Born, despu´s de tomar conocimiento
e
de la ecuaciń de Dirac, dijo, “La f´
o ısica, como la
conocemos, ser´ obsoleta en seis meses.”
a
1930 Wolfgang Pauli sugiri´ el neutrino para explicar el espectro
o
continuo de los electrones en el decaimiento beta.
1931 Paul Dirac comprendi´ que las part´
o ıculas cargadas positivamente
requeridas por su ecuaciń eran nuevos objetos (el los llam´
o o
“positrones”). Son exactamente como electrones, pero cargados
positivamente. Este es el primer ejemplo de antipart´ ıculas.
u


Historia de la F´
Aõ
n Evento
1931 James Chadwick descubri´ el neutrń. Los mecanismos de las
o o
uniones nucleares y los decaimientos se convirtieron en problemas
principales.
1933– Enrico Fermi desarroll´ una teor´ del decaimiento beta, que
o ıa
e ´
1934 introdujo las interacciones d´biles. Esta es la primera teor´ ıa
que usa expl´ ıcitamente los neutrinos y los cambios de sabor
de las part´ıculas.
Hideki Yukawa combin´ la relatividad y la teor´ cuńtica,
o ıa a
para describir las interacciones nucleares sobre la base del
intercambio, entre protones y neutrones, de nuevas part´ ıculas
(mesones llamados “piones”). A partir del tamaõ del nćleo,
n u
Yukawa concluy´ que la masa de las supuestas part´
o ıculas (meso-
´
nes) es superior a la masa de 200 electrones. Este es el
comienzo de la teor´ mesńica de las fuerzas nucleares.
ıa o
1937 Una part´ ıcula con una masa de 200 electrones es descubierta
en los rayos c´smicos. Mientras que al principio, los f´
o ısicos
pensaron que era el piń de Yukawa, se descubri´ m´s
o o a
tarde que era un muń.o
1938 E.C.G. Stuckelberg observ´ que los protones y
o
los neutrones no decaen hacia ninguna combinaciń de o
electrones, neutrinos, muones, o sus antipart´ ıculas.
La estabilidad del protń no puede ser explicada en t´rminos
o e
u

o ısica

Historia de la F´
Aõ
n Evento
de conservaciń de energ´ o de carga; propuso la conservaciń
o ıa o
independiente del n´mero de part´
u ıculas pesadas.
1941 C. M¨ller y Abraham Pais introdujeron el termino “nucleń”
o o
como un t´rmino gen´rico para los protones y los neutrones.
e e
1946– Los f´ısicos comprendieron que la part´ ıcula del rayo c´smico,
o
1947 que se pensaba que era el mesń de Yukawa, es en cambio un
o
“muń”, la primer part´
o ıcula en ser encontrada, de las
de la segunda generaciń de part´
o ıculas materiales. Este descu-
brimiento fue completamente inesperado –I. I. Rabi coment´ o
“¿quiń orden´ ´sto?”– El t´rmino“leptń” se introdujo para
e oe e o
describir objetos que no interactuan demasiado fuerte
(los electrones y los muones son leptones).
1947 En los rayos c´smicos es encontrado un mesń, que interactá
o o u
fuertemente, y se determina que es un piń. o
1947 Los f´ ısicos desarrollan procedimientos para calcular las pro-
piedades electromagn´ticas de los electrones, positrones,
e
y fotones. Se introducen los diagramas de Feynman.
1948 El sincro-ciclotrń de Berkeley produce los primeros piones
o
artificiales.
1949 Enrico Fermi y C.N. Yang sugieren que un piń es una estruc-
o
tura compuesta por un nucleń y un antinucleń. Esta idea de
o o
part´ıculas compuestas es completamente revolucionaria.
u


Historia de la F´
Aõ
n Evento
Descubrimiento de K+ v´ sus decaimientos.
ıa
1950 Es descubierto el piń neutro.
o
1951 Se descubren dos nuevos tipos de part´ ıculas en los rayos c´smicos.
o
Son descubiertas mientras se observan unas trazas en forma de V;
se las descubre al reconstruir los objetos elćtricamente neutros,
e
que ten´ que haber deca´
ıan ıdo, para producir los dos objetos carga-
dos, que dejaron las trazas. Las part´ ıculas fueron llamadas la
λ0 y la κ0 .
1952 Descubrimiento de la part´ ıcula delta: eran cuatro part´ ıculas
similares (δ++ , δ+ , δ0 , y δ− .)
1952 Donald Glaser invent´ la c´mara de burbujas. Comienza a operar
o a
el Cosmotrń de Brookhaven, un acelerador de 1,3 GeV.
o
1953 El comienzo de la “explosiń del n´mero de part´
o u ıculas” -una
verdadera proliferaciń de part´
o ıculas.
1953– La dispersiń de electrones por un nćleo, revela una dis-
o u
1957 tribuciń de la densidad de carga dentro de los protones, y
o
neutrones. La descripciń de esta estructura electromagn´tica
o e
de los protones y neutrones, sugiere cierta estructura interna
en estos objetos; a pesar de eso se los sigue considerando como
part´ıculas fundamentales.
u

o ısica

Arist´teles
o Arquimedes Ticho Brahe

Jhoannes Kepler Nicol´s Copernico
a Galileo Galilei

Figura 1.1: Sabios de la Antig¨edad.
u


Max Planck Niels Bohr & Alberto Einstein Louis de Broglie

Erwin Schr¨dinger
o Werner Heisenberg en 1927 Richard Feynman

Figura 1.2: Cient´
ıficos de la Mecńica Cuńtica.
a a

o ısica

P. A. M. Dirac Enrico Fermi Abdus Salam

Sheldon Glashow Steven Weinberg Richard Feynman 1947.

Figura 1.3: Cient´
ıﬁcos de loa Quarks.


Historia de la F´
ısica.
Aõ
n Evento
1954 C.N. Yang y Robert Mills desarrollan un nuevo tipo de teor´ ıa,
llamada “teor´ de calibre (o de Gauge).” Aunque no
ıas
fueron aceptadas en ese momento, este tipo de teor´ ıas
constituyen actualmente la base del Modelo Standard.
1957 Julian Schwinger escribe un trabajo proponiendo la unificaciń o
de las interacciones d´biles y electromagn´ticas.
e e
1957– Julian Schwinger, Sidney Bludman, y Sheldon Glashow, en
1959 trabajos separados, sugieren que todas las interacciones
d´biles son mediadas por bosones pesados cargados, m´s tarde
e a
llamados W+ y W− . Realmente, Yukawa fue el primero en suge-
rirlo (veinte aõs antes). El hab´ propuesto al piń como el me-
n ıa o
diador de las fuerzas d´biles, propiciando el intercambio de bosones.
e
1961 A medida que el n´mero de part´
u ıculas conocidas se incremen-
taba, el grupo SU(3), un esquema de clasificaciń matem´tico
o a
para organizar las part´ıculas, ayud´ a los f´
o ısicos a reconocer
patrones en los tipos de part´ıculas.
1962 Los experimentos verificaron que existen dos tipos distintos de
o o ´
neutrinos (neutrinos electrń y neutrinos muń). Esto ya hab´ ıa
sido inferido, por consideraciones te´ricas.
o
1964 Murray Gell-Mann y George Zweig introdujeron la idea tentativa
de los quarks. Sugirieron que los mesones y los bariones estń a
compuestos por quarks o antiquarks de tres tipos, llamados up,
u

o ısica

Historia de la F´
Aõ
n Evento
down y strange (u, d, s), con spin 1 y cargas elćtricas 3 , − 1 , − 3 ,
2 e 2
3
1

respectivamente (resulta que esta teor´ no es compl´tamente
ıa e
exacta). Ya que estas cargas nunca han sido observadas,
la introducciń de los quarks fue tratada como una explicaciń
o o
matem´tica de los patrones de sabor, seguidos por las masas de
a
las part´ıculas, m´s que como un postulado de existencia de
a
objetos f´ısicos reales. M´s tarde, los desarrollos te´ricos
a o
y experimentales, nos permitieron considerar a los quarks
como objetos f´ ısicos reales, aunque no puedan ser aislados.
1964 Ya que los leptones ten´ cierto patrń, varios tra-
ıan o
bajos sugirieron la existencia de un cuarto quark, con otro
sabor, para que el patrń de los quarks sea similar al de los
o
leptones; actualmente los sabores se llaman generaciones de
materia. Muy pocos f´ ısicos tomaron seriamente esta sugerencia en
ese momento. Sheldon Glashow y James Bjorken acuãron el n
t´rmino “charm” (encanto) para el cuarto (c) quark.
e
1965 O.W. Greenberg, M.Y. Han, y Yoichiro Nambu introdujeron la
propiedad de carga de color del quark. Todos los hadrones
observados son de color neutro.
1966 El modelo del quark es aceptado en forma relativamente lenta,
debido a que los quarks no han sido observados.
1967 Steven Weinberg y Abdus Salam separadamente propusieron
u


Historia de la F´
Aõ
n Evento
una teor´ que unifica las interacciones electromagn´ticas y
ıa e
d´biles formando la interacciń electrod´bil. Sus teor´
e o e ıas
requieren la existencia de un bosń neutro, que interactá
o u
en forma d´bil (ahora llamado el Z0 ) y que sea el mediador
e
de la interacciń d´bil; ese bosń no hab´ sido observado
o e o ıa
ań en aquel tiempo. Ellos tambiń predijeron la existencia
u e
de un bosń, masivo, adicional, llamado el bosń de Higgs que
o o
ha sido observado hasta el aõ 1995.
n
. 1968– En el Acelerador Lineal de Stanford, en un experimento
1969 en el cual se hace que los electrones sean dispersados por
protones, los electrones parecen “rebotar”contra un pequeõ n
centro duro dentro del protń. James Bjorken y Richard
o
Feynman analizaron estos datos en t´rminos de un
e
modelo de part´ ıculas constituyentes dentro del protń (ellos no
o
usaron el nombre “quark” para los constituyentes aunque
este experimento proporcion´ evidencia para los quarks.)
o
1970 Sheldon Glashow, John Iliopoulos, y Luciano Maiani recono-
cieron la importancia cr´ ıtica de un cuarto tipo de quark en el
contexto del Modelo Standard. Un cuarto quark permite
una teor´ que tiene interacciones d´biles mediadas por un Z0 ,
ıa e
con cambio de sabor.
1973 Donald Perkins, estimulado por una predicciń del Modelo
o
u

o ısica

Historia de la F´
Aõ
n Evento
Standard, volvi´ a analizar algunos datos viejos del CERN y
o
encontr´ indicadores de interacciones debiles sin intercambio
o
de carga de color (debida al intercambio de un Z0 .)
1973 Fue formulada una teor´ cuńtica de campos, para las
ıa a
interacciones fuertes. Esta teor´ de quarks y gluones (que
ıa
ahora es parte del Modelo Standard) es similar, en su estruc-
tura, a la electrodin´mica cuńtica (QED), pero dado que las
a a
teor´ se llama interacciones fuertes actán sobre las cargas
ıa u
de color, esta cromodin´mica cuńtica (QCD). Los quarks estń
a a a
destinados a ser part´ ıculas reales, con una carga de color.
Los gluones son los cuantos, sin masa, del campo de las
interacciones fuertes. Esta teor´ de interacciones fuertes fue
ıa
primero sugerida por Harald Fritzsch y Murray Gell-Mann.
1973 David Politzer, David Gross, y Frank Wilczek descu-
brieron que la teor´ de color de las interacciones fuertes
ıa
tiene una propiedad especial, hoy llamada “libertad
asint´tica.” Esta propiedad es necesaria para describir los datos
o
de 1968 − 1969 en relaciń con el protń.
o o
1974 En una conferencia, John Iliopoulos present´, por primera
o
vez en un unico reporte, la visiń de la f´
´ o ısica ahora llamada el
Modelo Standard.
1974 Burton Richter y Samuel Ting, liderando experimentos
u


Historia de la F´
Aõ
n Evento
(Nov.) independientes, anunciaron el mismo d´ su descubrimiento
ıa
de la misma nueva part´ ıcula. Ting y sus colaboradores en
Brookhaven llamaron a esta part´ ıcula la part´
ıcula “J”,
mientras que Richter y sus colaboradores en SLAC llamaron
a esta part´
ıcula la part´ıcula ψ. Ya que los descubrimientos
tuvieron igual importancia, la part´ ıcula es conocida comń-u
mente como la part´ ıcula J/ψ. La part´ ıcula J/ψ es
un mesń charm-anticharm.
o
1976 Gerson Goldhaber y Francois Pierre encontraron el mesń D0 (y o
los quarks antiup y charm). Las predicciones te´ricas concordaron
o
dram´ticamente con los resultados experimentales, ofreciendo un
a
fuerte soporte al Modelo Standard.
1976 El leptń τ fue descubierto por Martin Perl y sus colaboradores
o
en SLAC. Ya que este leptń es la primer part´
o ıcula registrada
de la tercera generaciń, fue completamente inesperado.
o
1977 Leon Lederman y sus colaboradores en el Fermilab descubrieron
sin embargo otro quark (y su antiquark). Este quark fue llamado
el quark “bottom”. Ya que los f´ ısicos se imaginaban
que los quarks ven´ en pares, este descubrimiento incentiv´ la
ıan o
b´squeda del sexto quark -“top.”
u
1978 Charles Prescott y Richard Taylor observaron una interacciń o
d´bil mediada por un Z0 , en la dispersiń por deuterio, de
e o
u

o ısica

Historia de la F´
Aõ
n Evento
electrones polarizados, en la que aparece una violaciń de la
o
conservaciń frente a paridad, como lo predijo el Modelo
o
Standard y confirmando as´ la predicciń te´rica.
ı o o
1979 Se encuentra en PETRA una fuerte evidencia de un gluń o
radiado por un quark o antiquark iniciales. PETRA es una
facilidad de colisiń de haces del laboratorio DESY en Hamburgo.
o
1983 Los bosones intermediarios, Wn y el Z0 , requeridos por la teor´
˜ ıa
electrod´bil, son observados en dos experimentos que usan el
e
sincrotrń del CERN y que emplean las tćnicas desarrolladas por
o e
Carlo Rubbia y Simon Van der Meer para colisionar protones y
antiprotones.
1989 Los experimentos llevados a cabo en SLAC y en CERN sugirieron
fuertemente que hay tres y s´lo tres generaciones de part´
o ıculas
´
fundamentales. Esto se infiere de la observaciń que el tiempo de
o
vida del bosń Z0− , s´lo es consistente con la existencia de
o o
exactamente tres neutrinos muy livianos (o sin masa).
1995 Despu´s de dieciocho aõs de b´squeda en muchos aceleradores, los
e n u
experimentos CDF y D0 en el Fermilab descubrieron el quark top
o bosń de Higgs con una masa inesperada de 175 GeV.
o
Nadie entiende por qu´ la masa es tan diferente de la de los otros
e
cinco quarks.
1996 Se observa el 5o estado de la materia.
u


DEFINICIONES

CIENCIA.

Conjunto de conocimientos ordenados, sistema-
tizados y jerarquizados.

La parte mas importante de la ciencia, consiste en aplicar
los m´todos que se utilizan para producir conocimientos, es una
e
forma de pensar y un c´mulo de conocimientos.
u

F´
ISICA.

F´ısica (del griego ϕ`ςικ´ physike: naturaleza).
υ ε
Ciencia que se encarga del estudio de la materia,
la energ´ y las interrelaciones que suceden entre
ıa
ellas.

El significado de estudiar es; investigar, analizar
y concluir.

La propiedades se refieren a las caracter´
ısticas
que definen la energ´ y la materia.
ıa

Para un mejor entendimiento de la F´
ısica, se propone seguir
el procedimiento siguiente:

o ısica

´
Paso 1. Explicar Como suceden los fen´menos. Ambito
o
Conceptual.
Paso 2. Ejemplificar la mediciń cuantitativa (ma-
o
´
tem´tica) del cuanto sucede. Ambito procedi-
a
mental.
´
Paso 3. La explicaciń del Porque sucede. Ambito Con-
o
ceptual y procedimental.

El objeto del estudio de la F´
ısica es el de poder
comprender y explicar los fen´menos que acontecen
o
a nuestro alrededor y que todos los dias podemos
observar.

Lo anterior mediante un proceso adecuado de evaluaciń,o
podr´ ser tomado como la evidencia de la Competencia.[1]
a

Divisiń de la F´
o ısica para su Estudio.

Esta divisiń consta de dos partes:
o

F´
ısica Cl´sica
a

La que a su vez se divide en:

1. Mecńica.
a

2. termolog´
ıa.


3. Ondas.

´
4. Optica.

5. Magnetismo

6. Electricidad

F´
ısica Moderna

Que consta del Estudio del:

1. N´cleo
u

´
2. Atomo

3. Mol´culas
e

o ısica

Actividad. 3.1.7.1
1. Realice una investigaciń sobre: Divisiń de la F´
o o ısica para
su Estudio.
2. Conf´rmense en equipos de hasta 5 elementos, nombrando
o
un representante.
3. Con base en la investigaciń realizada escriba por lo menos
o
dos de las definiciones de cada una de las partes de la F´
ısica.
4. para la evaluaciń se tomar´ en cuenta:
o a
a) Entrega en tiempo y forma (una semana m´ximo).
a
b) Claridad en las definiciones presentadas.
c) Coherencia de lo escrito.
d) Validez y pertinencia de las ideas expuestas (que tenga
relaciń con la situaciń actual).
o o
e) Presentaciń.
o
f ) Profundidad del escrito.
5. Escriba en los espacios correspondientes de este libro, las
definiciones mas adecuadas para las diferentes partes de la
f´
ısica.

Materia Estado y Propiedades.

Materia: Todo lo existente en la naturaleza y
ocupa un lugar en el espacio.

Estado: Forma, manera en que se encuentra la
materia.


Figura 1.4: Propiedades de la Materia.

o ısica

S´lido
o

L´
ıquido

Gas

Plasma

Condensado de Bose Einsten

Actividad. 1.1.2
1. Realice una investigaciń sobre: Los Estados de la Materia.
o
o
un representante.
3. Con base en la investigaciń realizada escriba un ensayo so-
o
bre los estados de la materia.
4. Para la evaluaciń de la actividad se tomar´ en cuenta:
o a
a) Entrega en tiempo y forma (una semana m´ximo).
a
b) Claridad.
c) Coherencia.
d) Validez y pertinencia de las ideas expuestas.
e) Profundidad de los conceptos.
f) Presentaciń.
o
g) Profundidad del escrito.
5. Como colofń, escriba en los espacios correspondientes de
o
este libro, las definiciones que resulten mas adecuadas para
los diferentes Estados de la Materia.

Propiedades: Son las Caracter´
ısticas de la ma-
teria


Pueden seer: Generales y particulares.
Algunas de las generales son:

Masa: Es la cantidad de materia que contiene
un cuerpo y se mide en kilogramos [kg].

Peso: Fuerza de atracci´n que ejerce la tierra
o
sobre la materia, se mide en Newtons [N ].

Volumen: Espacio que ocupa un cuerpo, se mide
en metros c´bicos [m3 ].
u

Una propiedad que algunos autores consideran particular es
la:

Densidad: cociente entre la masa y el volumen
kg
de un cuerpo. m3 .

m kg
d=̺= (1.1)
V m3

1 litro=1000 cm3
1 ml=1 cm3

o ısica

Actividad. 1.1.3
1. Realice una investigaciń sobre: Las Propiedades de la Ma-
o
teria.
o
un representante.
3. Con base en la investigaciń realizada dibuje un mapa men-
o
tal personal sobre Los Estados de la Materia.
4. Reunirse en equipo y realizar un mapa conceptual grupal.
5. Analizar el mapa conceptual grupal de forma individual.
6. para la realizaciń del mapa personal y grupal tomar en
o
cuenta:
a) ¿Cuales son los conceptos mas importantes?.
b) ¿Estń expuestos los conceptos mas importantes en el
a
mapa?.
c) ¿Las ligas (flechas) son suficientes?
d ) ¿Existe jerarqu´ y uniones cruzadas suficientes?.
ıa
e) ¿Se encuentra actualizada la informaciń?.o
f ) Para el nivel del curso justificar la Profundidad del ma-
pa.
7. Reunirse nuevamente, realizar un mapa mental final.


Para la evaluaciń de la actividad 1.1.3 se tomar´ en cuenta:
o a
1. Entrega en tiempo y forma (una semana m´ximo).
a
2. Claridad en los Mapas presentados.
3. Coherencia.
4. Validez y pertinencia de las ideas expuestas.
5. Profundidad de los conceptos.
6. Presentaciń al grupo por el coordinador.
o
7. Obtenciń de un mapa conceptual grupal final.
o
8. Una conclusiń importante es contestar si: ¿La densidad es
o
una propiedad general o particular?

Ejemplo: 1.1 Se midi´ un cubo de hierro de 1cm de lado siendo
o
su masa de 7,8 gramos ¿cual es la densidad del hierro?, calcu-
lando su volumen.
a). Diagrama; se presenta en la fig 1.5

Figura 1.5: Representaciń de un Cubo de Hierro para el Ejemplo 1.1.
o

b). ¿Cual es su masa (m)?
m = 7.8 g
pero esta se necesita en kilogramos (kg) por lo que hay que
realizar la conversiń.
o

o ısica

Se sabe que 1 kg = 1000 g

7,8g 1kg 7,8g kg
/ 0,0078kg
= =
1 1000g 1000g / 1
c). ¿Cual es la longitud (l) del lado del cubo?
l = 1cm
Pero en el sistema internacional, las longitudes se miden
en metros por lo que se debe realizar la conversi´n de las
o
unidades de medida; sabiendo que 1 m= 100 cm.
1cm 1m 1cm m
ր 0,01m
= = = 0,01m
1 100cm 100cm
ր 1
d). Se calcula el volumen (V )
V = l3
V = (0,01m)3
= (0,01m)(0,01m)(0,01m)
= (0,01)(0,01)(0,01)(m)(m)(m)
V = 0,000001m3
e). ¿Cual la densidad?
Mediante la relaci´n 1.1
o
m kg
D=̺=
V m3
m 0,0078kg
̺= =
V 0,000001m3
kg
̺ = 7800 3
m
kg
La densidad (̺) es 7800 m3


Fen´meno F´
o ısico y Relaciones con Otros Fen´menos Naturales.
o

Fen´meno: Suceso que ocurre en la naturaleza.
o

Ejemplos.

Un eclipse de sol o luna.

Vaciar agua en un recipiente.

La lluvia, etc.

F´
ısico: sucede cuando no se alteran las propie-
dades del objeto que sufre el fen´meno.
o

Ej. Corte de papel.

Qu´ ımico: cuando existe una reacciń qu´
o ımica
y los ´tomos y molćulas se reacomodan.
a e

Ej. Quemar papel

Biol´gicos: cuando existe una combinaciń de
o o
fen´menos fisicos y qu´
o ımicos.

Es decir que se afectan sus propiedades y sufre una reacciń
o
qu´
ımica.
Ej. Crecimiento de un arbol.

o ısica

Micromundo.

Se refiere a los

fen´menos f´
o ısicos que se presentan a nivel
at´mico.
o

De manera sencilla el ´tomo est´ constituido por cuarks, los
a a
cuales cuando se unen forman electrones, protones y neutrones,
los electrones tienen carga negativa, los protones carga positiva,
los neutrones sin carga, la masa es similar a la del protń y es
o
de aproximadamente

mn = mp = 0,00000000000000000000000000166kg = 1,66×10−27 kg

El electrń tiene una masa de
o

me = 0,000000000000000000000000000000911kg. = 9,11×10−31 kg

Figura 1.6: Mapa Conceptual de Fen´meno
o


El protń tiene carga positiva(+) y el electrń tiene carga
o o
negativa (−) El valor de la carga tanto del electrń como del
o
proton es de:

−qe = qp = 0,00000000000000000016C(oulombs) = 1,6×10−19 C

De aqu´ se observa porque se habla del Micromundo, porque
ı
los valores con que se miden sus propiedades son muy pequeõs.
n
La notaciń que se muestra al final del valor dado, se conoce
o
como notaciń Cient´
o ıfica, pero aqu´ se le llama notaciń “com-
ı o
pacta”, porque es mas sencilla que el valor con varios ceros.

Macromundo.

fen´menos f´
o ısicos que se presentan a nivel mu-
cho mayor que las dimensiones at´micas.
o

El micromundo constituye al macromundo cuando forma
´tomos, molćulas, compuestos, cuerpos, planetas, estrellas, sis-
a e
temas solares, galaxias, y el universo. p. e. La masa de la tierra
es:

mT = 5980000000000000000000000.kg = 5,98 × 1024 kg

y aqui se observa que los valores con que se miden sus propie-
dades son muy grandes, por lo que constituyen al macromundo.
Tanto el macromundo como el micromundo, estń unidos por
a
fuerzas, las cuales rigen en ciertas condiciones; estas fuerzas son:
El ´tomo est´ unido por fuerzas elćtricas (fuerza de Coulomb).
a a e

o ısica

El universo (Macromundo), est´ unido por la fuerza gra-
a
vitacional.
La fuerza nuclear, la cual es de corto alcance, mantiene
unidos a los protones y neutrones en el n´cleo.
u
La fuerza d´bil es la responsable de la radiactividad.
e

Figura 1.7: Tipos de Fuerza en la Naturaleza.

Figura 1.8: Componentes de la Materia


1.1.1. La F´ısica y su Impacto en la Ciencia y la Tec-
nolog´ıa.

El objetivo de la ciencia es:

Responder preguntas mas que nada te´ricas, pa-
o
ra que despu´s de observar hechos, fen´menos y su
e o
relaciń con la naturaleza, expresar teor´
o ıas.

Por otra parte, la tecnolog´
ıa:

Son generalmente m´todos para resolver proble-
e
mas prćticos. Herramientas tćnicas y procesos en
a e
los cuales se aplican los descubrimientos de la cien-
cia.

La uniń de la ciencia y la tecnolog´ da como resultado be-
o ıa,
neficios para la sociedades es decir se proyecta, se diseã y se
n
crea.

1.1.2. Los M´todos de Investigaciń y su Relevancia
e o
en el Desarrollo de la F´
ısica.

M´todo Cient´
e ıfico.

Para poder Investigar o crear conocimiento, hay que apli-
car un procedimiento o m´todo, el cual para la ciencia se conoce
e
como: Metodo Cient´ ıfico, este es un conjunto de pasos a seguir
para llegar a una conclusiń sobre un fen´meno.
o o

o ısica

Figura 1.9: Diagrama de ﬂujo del M´todo Cient´
e ıﬁco.


Procedimiento para Aplicar el Metodo Cient´
ıfico.

Paso 1. Planteamiento de un problema
Paso 2. Investigaciń preeliminar del fen´meno. (puede
o o
ser en libros, internet, encuesta, etc.)
Paso 3. Observaciń del fen´meno. Que sucede, como
o o
sucede, etc.
Paso 4. Hip´tesis. Posible explicaciń del fen´meno
o o o
Paso 5. Experimentaciń. Repeticiń del fen´meno
o o o
(cuantas veces sea necesario) en condiciones fa-
vorables.
Paso 6. Contrastar los resultados experimentales con la
hip´tesis formulada.
o
Paso 7. Si los resultados explican el fen´meno, se com-
o
prueba la hip´tesis.
o
Paso 8. Si no se comprueba la hip´tesis, esta debe re-
o
formularse (nueva hip´tesis) y repetir desde el
o
paso n´mero 3.
u
Paso 9. Si se cumple la hip´tesis y se explica el
o
fen´meno, se enuncia una ley.
o

Aqui es necesario clarificar los conceptos de ley y teor´ ya
ıa,
que estos en algunos casos, se toman como sinńimo.
o

o ısica

Ley: regla y norma constante e invariable que
rige los fen´menos de la naturaleza.[27]
o

Teor´ Serie de leyes que sirven para relacionar
ıa:
determinado orden de fen´menos.[27]
o

Por lo que hay que remarcar que una Teor´ es un conjunto
ıa
de leyes.

Actividad. 1.1.2.1
o
un representante.
2. Democr´ticamente, escoja uno de los siguientes temas.
a
a) Autodeterminaciń y cuidado de uno mismo.
o
b) Expresiń y comunicaciń.
o o
c) Aprendisaje autńomo.
o
d) Participaciń en la sociedad con responsabilidad.
o
e) El trabajo en forma colaborativa.
f) Pensamiento critico y reflexivo.
3. Aplicar al tema el Metodo Cient´
ıfico.

1.2 Magnitudes F´
ısicas y su Mediciń.
o 45

Para la evaluaciń de la actividad 1.1.2.1 se tomar´ en cuenta:
o a
1. Entrega en tiempo y forma (dos semanas m´ximo).
a
2. Claridad en las definiciones presentadas.
3. Coherencia de lo escrito.
4. Profundidad del escrito.
5. Presentaciń ante el grupo mediante un debate.
o
6. Validez y pertinencia de las ideas expuestas (que tenga rela-
ciń con la situaciń actual).
o o
7. Se aplicar´ una coevaluaciń con los integrantes de los equi-
a o
pos. Ponerse de acuerdo con el profesor.

1.2. Magnitudes F´
o
Introducciń
o

La existencia de gran n´mero de diversas unidades, creaba
u
dificultades en las relaciones internacionales de comercio, en el
intercambio de resultados de investigaciones cient´ ıficas, etc. Co-
mo consecuencia los cient´ ıficos de diversos pa´ intentaron es-
ıses
tablecer unidades comunes, v´lidas en todos ellos.
a
Durante la Revoluciń Francesa se cre´ el Sistema M´tri-
o o e
co Decimal que, segń sus autores, deber´ servir en todos los
u ıa
tiempos, para todos los pueblos, para todos los pa´ ıses. Su ca-
racter´
ıstica principal es que las distintas unidades de una mis-
ma magnitud se relacionan entre s´ como exponentes enteros de
ı
diez.
Desde mediados del siglo XIX, el sistema m´trico comenz´ a
e o
difundirse ampliamente, fue legalizado en todos los pa´ y cons-
ıses
tituye la base de las unidades que sirven para la mediciń de o

o ısica

diversas magnitudes en la F´ısica, en otras ciencias y en la inge-
nier´
ıa.
Algunos estudiantes recuerdan haber o´ a sus padres o
ıdo
abuelos acerca de las unidades propias de su lugar de origen,
pero no suelen conocer su definiciń. Mediante algunos ejemplos
o
ilustrativos se puede poner de manifiesto la necesidad de dispo-
ner de unidades de medida que tengan un ´mbito de aplicaciń
a o
lo m´s amplio posible, dado lo anterior, los estudiantes deberń
a a
conocer las propiedades que caracterizan a las unidades, cuales
son las magnitudes fundamentales en el Sistema Internacional de
Unidades y como se obtiene la unidad de una magnitud derivada
dada su definiciń.
o
Algunas medidas de uso comń eran:
u

El Almud (mas conocido como almur).

La Vara.

La cuarta.

El geme.

El Kilo.

El litro.

La lata de sardina

etc.

1.2 Magnitudes F´
o 47

Actividad. 1.2
o
un representante.
2. En equipo dise˜e cinco preguntas adecuadas para saber so-
n
bre cada una de las medidas de uso comń mencionadas
u
anteriormente. las preguntas deben ser del tipo:
a) Conoce o ha usted usado el . . .
b) Me podr´ usted decir que es, como es, o como hacer un
ıa
...
c) Conoce usted la equivalencia entre el . . . y el . . .
d) . . . . . .
3. Aplique la encuesta a diez personas de edad mayor (padres,
abuelos, conocidos) sobre: las medidas de uso comń.
u
4. Con base en las respuestas obtenidas, escriba las definicio-
nes de cada una de las medidas de uso comń mencionadas
u
anteriormente y algunas equivalencias que se conozcan entre
ellas.
5. para la evaluaciń se tomar´ en cuenta:
o a
a) Entrega en tiempo y forma (dos semanas m´ximo).
a
b) Claridad en las definiciones presentadas.
c) Coherencia de lo escrito.
d) Validez y pertinencia de las ideas expuestas (que tenga
relaciń con la situaciń actual).
o o
e) Presentaciń.
o
f ) Profundidad de las definiciones.
g) N´mero de equivalencias obtenidas.
u
6. Escriba en los espacios correspondientes de este libro, las
definiciones mas adecuadas para las medidas de uso comń u
y las equivalencias encontradas.

o ısica

1.2.1. Magnitudes Fundamentales y Derivadas.

La observaciń de un fen´meno es en general incompleta a
o o
menos que d´ lugar a una informaciń cuantitativa. Para obte-
e o
ner dicha informaciń se requiere la mediciń de una propiedad
o o
f´
ısica. As´ la mediciń constituye una buena parte de la rutina
ı, o
diaria del ser humano.

La mediciń es la tćnica por medio de la cual
o e
se asigna un n´mero a una propiedad f´
u ısica.

Medir: Es el resultado de la comparaciń de una
o
propiedad con otra similar tomada como patrń, la
o
cual se ha adoptado como unidad.

Es decir que Medir es comparar las dimensiones de un cuerpo
con las de otro.

Las dimensiones del cuerpo contra el que se compara se llama
patrń de medida o unidad de medida, sin embargo al medir un
o
cuerpo se tienen errores los cuales no se pueden eliminar pues
tienen diferentes causas por lo que ninguna persona o instru-
mento har´ medidas iguales.
a

Existen magnitudes de dos tipos: Fundamentales, las cuales
se definen y a partir de estas se obtienen las derivadas.

1.2 Magnitudes F´
o 49

Magnitudes Fundamentales.

Las Magnitudes o Cantidades Fundamen-
tales son las unidades que se definen como base
para medir los diferentes cuerpos.

Generalmente se definen tres magnitudes o cantidades funda-
mentales:

La unidad de Masa.

La unidad de Longitud.

La unidad de Tiempo.

Magnitudes derivadas.

Cuando se realizan operaciones como sumar, multiplicar, di-
vidir, etc. estas operaciones tambien las experimentan las uni-
dades de medida, por ejemplo si se requiere sumar 3 metros con
4 metros, la operaciń que se realiza es:
o

3m + 4m = 7m

es decir que el resultado conserva las unidades caracter´
ısticas de
las cantidades que sufrieron la operaciń.
o
Otro caso es cuando se multiplica. Por ejemplo: 3kg con 4m

(3kg)(4m) = (3)(4)(kg)(m) = 12kgm

las unidades tambiń se multiplicaron.
e

o ısica

Las unidades de las Cantidades Derivadas se ob-
tienen al realizar operaciones entre unidades, asi se
obtienen otras unidades de medida.

A estas cantidades asi obtenidas se les conoce como Can-
tidades Derivadas ya que se obtienen como resultado de la
multiplicaciń o divisiń entre otras cantidades fundamentales.
o o

1.2.2. Sistemas de Unidades CGS e Ingl´s.
e

Un Sistema de Unidades es aquel al que se le de-
finen sus unidades primordiales de medida y luego
se utilizan para medir.

Sistema CGS.

Por ejemplo se puede medir las longitudes en cent´ ımetros
(cm), las masas en gramos (g) y el tiempo en segundos (s).
Cuando se toman estas tres unidades como fundamentales,
el sistema de unidades se llama Sistema de Unidades CGS,
siendo las iniciales las de las unidades fundamentales.
Con estas tres unidades fundamentales, se pueden obtener to-
das las otras unidades derivando las dem´s unidades de medida
a
al realizar operaciones entre estas unidades fundamentales.

1.2 Magnitudes F´
o 51

Sistema Ingl´s de Unidades.
e

Asi tmbiń en E. U. e Inglaterra, las unidades que se toman
e
como fundamentales son: para la masa la libra masa (lb), para
la longitud el pie (ft) y para la fuerza la libra fuerza (pd), es
decir que ahi las cantidades fundamentales son cuatro y no tres
como para el sistema CGS.

1.2.3. El Sistema Internacional de Unidades, Ventajas
y Limitaciones.
Por legislaciń, en M´xico se utiliza el Sistema Internacional
o e
de Unidades (S I) el cual tiene las siguientes unidades patrń:
o

Unidad de Masa. Cantidad de materia que contiene un cuerpo.
En el Sistema Internacional de Unidades (SI), se define como:

La Masa de un cilindro de Platino e Iridio que
se conserva en la oficina internacional de pesas y
medidas en S`vres Francia.
e

Su unidad de medida es el kilogramo[kg].

Unidad de Longitud. Es el metro [m],

1
es la longitud que recorre la luz en 299,792,458 s
exćtamente..
a

o ısica

Unidad de tiempo: En el S I es el segundo:

Es la duraciń de 9, 192, 631, 770 ciclos de la
o
radiaciń correspondiente a la transiciń entre los
o o
dos niveles hiperfinos del estado fundamental del
´tomo de Cesio 133 (133 Cs)
a

SI abr. CGS abr. ´
INGLES abr.
LONGITUD metro (m) cent´
ımetro (cm) pie (f t)
MASA kilogramo (kg) gramo (g) libra (pd)
TIEMPO segundo (s) segundo (s) segundo (s)

Cuadro 1.5: Unidades Fundamentales en tres Sistemas de Unidades.

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