SIMULACIONES
DE FÍSICA
(II)
CURSO EN INTERNET DE ANGEL FRANCO
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/default.htm
ASESORÍA DE CIENCIAS
BERRITZEGUNE DE VITORIA
CURSO 2002-2003
INDICE DE SIMULACIONES
ELECTROMAGNETISMO
El campo eléctrico de un sistema de dos cargas
El solenoide
El péndulo que descarga un condensador
Demostración de la ley de Faraday
FÍSICA MODERNA
La experiencia de Rutherford
El efecto fotoeléctrico
El efecto Compton
El campo eléctrico de un sistema de dos cargas
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/electrico/cElectrico.html
Actividades
Se introduce
la carga Q1 en el control de edición titulado Q1
la carga Q2 en el control de edición titulado Q2
Se pulsa en el botón titulado Nuevo
Obtener el mapa de las líneas de fuerza y equipotenciales de:
Dos cargas iguales y del mismo signo
Dos cargas iguales y de distinto signo
Dos cargas distintas y del mismo signo
Dos cargas distintas y de distinto signo
El solenoide
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/magnetico/cMagnetico.html
Para visualizar las líneas líneas del campo del campo magnético, se emplean
limaduras de hierro. Este procedimiento es muy limitado y requiere bastante
cuidado por parte del experimentador.
En el programa interactivo se calcula, aplicando la ley de Biot-Savart, el campo
magnético producido por cada espira en un punto fuera del eje. Posteriormente,
determina el campo magnético resultante, sumando vectorialmente el campo
producido por cada espira en dicho punto. Posteriormente, se trazan las líneas
del campo magnético que pasan por puntos equidistantes a lo largo del
diámetro del solenoide.
Podemos ver el mapa de las líneas del campo magnético de:
Una espira circular
Dos espiras, esta disposición simula las denominadas bobinas de Helmholtz,
utilizadas en el laboratorio para producir campos magnéticos aproximadamente
uniformes en la región entre las dos bobinas.
Muchas espiras iguales y equidistantes, que simula el solenoide.
Se introduce
El número de espiras N en el control de edición titulado nº de espiras
La separación entre las espiras, en el control de edición titulado Separación
Se pulsa el botón titulado Dibujar
El péndulo que descarga a un condensador
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/pendulo/pendulo.htm
Actividades.
Disponemos de un generador de Van de Graaff para suministrar la carga que
transportamos a una de las placas del condensador.
Se pulsa el botón titulado Nuevo
Con el puntero del ratón movemos la bola que está en contacto con el
generador de carga, y tocamos la placa del condensador conectada al
electroscopio.
Pulsamos el botón titulado Otra más, para repetir la operación de carga del
condensador
Repetimos la operación varias veces, vemos como se va cargando la placa y
se desvía la aguja indicadora del electroscopio. La bolita es atraída hacia la
placa positiva, hasta que entra en contacto con ella. En ese momento la bolita
empieza a oscilar y la placa positiva del condensador empieza a perder poco a
poco carga en cada oscilación de la bolita.
Para repetir la experiencia se pulsa el botón titulado Nuevo.
Se mueve la bola con el puntero del ratón hasta tocar la placa derecha del
condensador
Demostración de la ley de Faraday
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/fem/fem.htm
La experiencia en el aula
Con una bobina, un amperímetro y un imán se realizan las siguientes
experiencias:
1. Se sitúa el imán en reposo dentro del solenoide.
2. Se introduce despacio/deprisa el imán en el
solenoide.
3. Se saca despacio/deprisa el imán del
solenoide.
Se observa el movimiento de la aguja del
amperímetro
Para determinar el sentido
de la corriente inducida
aplicaremos la ley de Lenz
Actividades
Se introduce
El radio R del solenoide, en el control de edición titulado radio solenoide
El número de espiras N, en el control de edición titulado número de espiras
La velocidad uniforme del imán v, en el control de edición titulado velocidad
del imán
La longitud H del solenoide se ha fijado en el programa en 17.6 cm
La longitud del imán L, se ha fijado en 13.6 cm
La constante K vale 1.1·10-6 wb.
Se pulsa el botón titulado Empieza.
El imán se acerca al solenoide hasta la posición en la que se alcanza el flujo
máximo, es decir, cuando el imán está situado en el centro del solenoide. En
ese momento retrocede con la misma velocidad constante alejándose del
solenoide.
En la parte izquierda del applet, observamos el movimiento del imán y el
movimiento de la aguja en el amperímetro que está debajo del solenoide. Una
flecha azul sobre una espira nos muestra el sentido de la corriente inducida. La
flecha roja al lado del solenoide indica si el flujo aumenta o disminuye.
Comprobaremos que se cumple la ley de Lenz (véase la figura al principio de
esta página)
En la parte derecha del applet, se representa en la misma gráfica el flujo (en
color rojo) y la fem en color azul.
Cuando se pulsa el botón Pausa se para la animación, que prosigue pulsando
el mimo botón titulado ahora Continua. Se puede examinar el proceso paso a
paso pulsando el botón titulado Paso, se prosigue el movimiento normal
pulsando el botón titulado Continua.
La experiencia de Rutherford
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/rutherford/rutherford.html
La experiencia de Rutherford fue crucial en la determinación de la estructura
atómica. En la simulación de la experiencia de Rutherford, consideramos una
muestra de un determinado material a elegir entre varios y la situamos en el
centro de un conjunto de detectores dispuestos a su alrededor. El blanco es
bombardeado por partículas alfa de cierta energía producidas por un material
radioactivo. Se observa que muy pocas partículas son desviadas un ángulo
apreciable, y se producen muy raramente sucesos en los que la partícula alfa
retrocede.
Actividades
Se elige el material del blanco, en el control de selección Material del blanco.
Se introduce
la energía de la partícula alfa en MeV
Se pulsa el botón titulado Empieza
Las partículas alfa emitidas por el material radioactivo comiencen a
bombardear el blanco.
El efecto fotoeléctrico
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico.htm
Para simular el efecto fotoeléctrico se han de seguir los siguientes pasos:
Elegir el material de la placa metálica con el que experimentar el efecto
fotoeléctrico, en el control selección titulado Cátodo.
Introducir la longitud de onda de la radiación que ilumina la placa, en angstrom
(cuatro cifras).
Seleccionar la intensidad de la radiación un número mayor que cero, en el
control de selección titulado Intensidad de la luz. Comprobar que cuando
mayor sea la intensidad mayor es la desviación del amperímetro cuando pasa
corriente por la fotocélula.
Pulsar en el botón titulado Fotón. Si no hay emisión, introducir un valor menor
de la longitud de onda (mayor frecuencia).
Si hay emisión, observar el movimiento del electrón. El campo eléctrico frena al
electrón y eventualmente, le hace regresar a la placa metálica si su energía
cinética no es suficiente.
Modificar el potencial variable de la batería, introduciendo otro valor en el
control de edición titulado Diferencia de potencial, hasta conseguir que el
electrón llegue justo a la placa opuesta, el amperímetro deja de marcar el paso de
corriente, o empieza a marcar el paso de corriente.
Guardar el potencial de la batería bien por exceso o por defecto, y la longitud de
onda en el control área de texto situada a la izquierda de la ventana, pulsando en
el botón titulado Datos.
Repetir la experiencia introduciendo una nuevo valor para la longitud de onda.
Una vez que se han recolectado un número suficiente de datos (cuanto más
mejor), se pulsa el botón titulado Enviar para representar gráficamente los datos
en el applet situado más abajo.
Resultados
Pulsar en el botón Calcular, para obtener la representación gráfica de los datos y
la recta que mejor ajusta.
Se obtiene la energía de arranque de los electrones del metal leyendo la
ordenada en el origen de la recta trazada, o el valor del parámetro b en la parte
superior del applet.
La pendiente de la recta es el valor del parámetro a y mide el
cociente entre las constantes fundamentales h/e . Para obtener el
valor de la constante h de Planck, se debe tener en cuenta que el
eje horizontal es la frecuencia de la radiación electromagnética en
unidades 1014 Hz. La carga del electrón es 1.6·10-19 C. Por tanto,
el valor de h se obtiene multiplicando la pendiente a por la carga e
y dividiendo por el factor 1014.
h=a·1.6 10-19 ·10-14 Js
El efecto Compton
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/compton/Compton.htm
Cuando se analiza la radiación electromagnética que ha pasado por una región
en la que hay electrones libres, se observa que además de la radiación
incidente, hay otra de frecuencia menor. La frecuencia o la longitud de onda de
la radiación dispersada depende de la dirección de la dispersión.
Sea la longitud de onda de la radiación incidente, y ’ la longitud de onda de
la radiación dispersada. Compton encontró que la diferencia entre ambas
longitudes de onda estaba determinada únicamente por el ángulo de
dispersión, del siguiente modo
donde c es una constante que vale 2.4262 10-12 m
Fundamentos físicos
Se explica el efecto Compton en términos de la interacción de la radiación
electromagnética con electrones libres, que suponemos inicialmente en reposo
en el sistema de referencia del observador.
En el efecto fotoeléctrico solamente hemos considerado que el fotón tiene una
energía E=hf . Ahora bien, un fotón también tiene un momento lineal p=E/c.
Se puede obtener la fórmula del efecto Compton a partir del estudio de un
choque elástico entre un fotón y un electrón inicialmente en reposo.
1. Principio de conservación del momento lineal
Sea p el momento lineal del fotón incidente,
Sea p' el momento lineal del fotón difundido,
Sea pe es el momento lineal del electrón después del choque, se verificará que
p=p'+pe (1)
2. Principio de conservación de la energía
La energía del fotón incidente es E=hf .
La energía del fotón dispersado es E’=hf ’ .
La energía cinética del electrón después del choque no la podemos escribir como
mev2/2 ya que el electrón de retroceso alcanza velocidades cercanas a la de la
luz, tenemos que reemplazarla por la fórmula relativista equivalente
donde me es la masa en reposo del electrón 9.1·10-31 kg
El principio de conservación de la energía se escribe
(2)
Resolviendo el sistema de ecuaciones (1) y (2) llegamos a la expresión
Teniendo en cuanta la relación entre frecuencia y longitud de onda se convierte
en la expresión equivalente
Hemos obtenido el valor de la constante de proporcionalidad c a partir de las
constantes fundamentales h, me y c.