Esta es una recopilación de exámenes resueltos de Historia General de la Ciencia Segunda Prueba Presencial e Historia de la Ciencia II.
Están basados en mis lecturas del libro básico de la asignatura y de otros apuntes útiles que he encontrado en Ferrán Mir y Solo apuntes. Cuando se indica una página se refiere al libro de Historia de la Ciencia de Solís y Sellés.
Lo exámenes pueden consultarse en el sitio del Centro Asociado de Calatayud. Este sitio es también muy interesante.
Si tienes alguna sugerencia de mejora o cambio, déjalo en los comentarios.
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1 ¿Qué es un “cuerpo negro”? ¿Qué hipótesis formuló Plank para explicar la composición de la radiación de un cuerpo de este tipo?
Es un cuerpo ideal, capaz de absorber todas la radiaciones (por eso es negro) y también de emitirlas si no se calentaría indefinidamente. Las radiaciones son electromagnéticas, de todas las frecuencias. La radiación es más intensa cuando más elevada es la temperatura del emisor, en este caso el cuerpo negro.
En la práctica se puede aproximar por una cavidad de paredes negras. Dependiendo de la temperatura del cuerpo, la radiación de la cavidad presentará una distribución determinada de las distintas frecuencias. Se puede representar por un gráfico con frecuencia en abscisas e intensidad en ordenadas.
La energía radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde a frecuencias inferiores a las de la luz visible. Al elevar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida sino que lo hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta.
De acuerdo con las predicciones del electromagnetismo clásico, un cuerpo negro ideal en equilibrio térmico debía emitir energía en todos los rangos de frecuencia; de manera que a mayor frecuencia, mayor energía.
Sin embargo, los cuerpos no emiten con igual intensidad a todas las frecuencias o longitudes de onda, sino que siguen la ley de Planck.
Este fue uno de los primeros indicios de que existen problemas irresolubles en el marco de la física clásica. La solución a este problema fue planteada por Max Planck en 1900, con lo que se conoce ahora como Ley de Planck. Ese momento, se considera como el principio de la Mecánica cuántica.
Plank propuso que el cuerpo negro está compuesto de muchos micro-osciladores de frecuencia fija, que emite quanta de luz, de longitud de onda fija.
2. Usando el experimento de “las dos rendijas”, explique la dualidad onda corpúsculo.
Al hacer pasar un chorro de electrones por dos rendijas se producen interferencias que se pueden detectar en una pantalla. Es decir, los electrones se comportan como una onda.
De Wikipedia:
De acuerdo con la física clásica existen diferencias entre onda y partícula. Una partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula.
Actualmente se considera que la dualidad onda – partícula es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa.” (Stephen Hawking, 2001)
Éste es un hecho comprobado experimentalmente en múltiples ocasiones. Fue introducido por Louis-Victor de Broglie, físico francés de principios del siglo XX. En 1924 en su tesis doctoral propuso la existencia de ondas de materia, es decir que toda materia tenía una onda asociada a ella. Esta idea revolucionaria, fundada en la analogía con que la radiación tenía una partícula asociada, propiedad ya demostrada entonces, no despertó gran interés, pese a lo acertado de sus planteamientos, ya que no tenía evidencias de producirse. Sin embargo Einstein reconoció su importancia y cinco años después, en 1929, recibió el Nobel en física por su trabajo.
El experimento de la difracción está descrito en la wiki.
3. ¿Cuál fue la aportación de Louis de Broglie al desarrollo de la física cuántica?
De Broglie elaboró una teoría sintética de la materia y de la radiación. Propuso el concepto de ondas de materia. Según esta teoría, toda partícula de materia, con masa m, tiene una energía mc2 (como indica la teoría de la relatividad) y una onda asociada: hv, un cuanto de radicación. Es decir, asoció a toda partícula una onda con esa frecuencia.
De Broglie mostró que en el caso del modelo de Bohr, las órbitas estacionarias eran las que presentaban ondas estacionarias. Es decir, la onda cabía un número entero de veces en la órbita estable. La longitud de onda de la partícula resulta de dividir h por su momento (lamdda = h/p).
Schrödinger desarrollo el tratamiento mediante ecuaciones diferenciales de la teoría ondulatoria de las partículas de De Broglie.
4.- Enuncie y explique el principio de indeterminación de Heisenberg.
Es imposible conocer a la vez la posición de una partícula y su momento (velocidad x masa). Igualmente no es posible conocer la energía que tiene una partícula en un tiempo dado. Cuanta mayor precisión se consigue en la posición en un determinado momento, menor precisión se consigue en el momento o velocidad.
Hay dos interpretaciones: Indeterminación ontológica: es consecuencia de la dualidad onda corpúsculo de la materia en el ámbito de las partículas (como proponen quienes consideran el principio como expresión de la constitución ontológica de la materia). Indeterminación por las limitaciones de la medición, que implican una actuación del instrumento de medida sobre las cualidades a medir.
Desde punto de vista, es consecuencia de la dualidad onda-corpúsculo. Cuanto más precisamente se caracteriza una partícula como corpúsculo, menos se puede decir de ella como onda, y al revés. Son dos formas complementarias de analizar la realidad materia-radiación. La propia radiación, al disminuir su longitud de onda, se presenta como corpúsculo (rayos gamma).
Desde el punto de vista que considera que esta indeterminación es consecuencia de las limitaciones derivadas de la intromisión del sistema de medida en lo medido (y no una expresión de la constitución dual de la materia) se puede mostrar el ejemplo de la determinación de la posición de una partícula, por ejemplo un electrón. En la materia macroscópica la posición de algo se determina detectándolo con la luz que refleja el cuerpo (o el reflejo de la onda enviada por un radar). Los cuerpos macroscópicos son suficientemente masivos para que su posición y velocidad no sea afectada por la luz o la onda del radar, pero en los cuerpos pequeños sí lo estará. Por ejemplo para conocer un electrón hay que iluminarlo. Pero esa iluminación ha de ser con una partícula que tenga una longitud de onda menor que el propio electrón, por lo que será mucho más energética que el propio electrón y lo desviará de su trayectoria.
5.- Describa el pensamiento de la llamada “escuela de Copenhague” (es decir, su “filosofía” de la mecánica cuántica).
Es el conjunto de teorías y conceptos de la mecánica cuántica que incluyen el principio de indeterminación, la dualidad onda-corpúsculo, la imposibilidad de separar objeto y sujeto en la experimentación y análisis de la mecánica subatómica.
Uno de las consecuencias más llamativas de esto fue el abandono del principio de causalidad determinista en ese ámbito.
El principal oponente de esta interpretación fue Einstein, para el que “Dios no juega a los dados”. Propuso una serie de experimentos mentales para refutar las consecuencias de la indeterminación. Uno de ellos fue el de la rendija.
Otro de los experimentos mentales fue el de una molécula que se descompone en dos átomos con momentos angulares opuestos. Conociendo el momento de uno es posible conocer el momento del otro automáticamente. Esto implicaría que es posible el conocimiento instantáneo de otro (violando la superación de la velocidad de la luz).
También famoso es el del “gato de Schrödinger”. Se cierra un gato en una caja que tiene un dispositivo con un material radiactivo que se desintegra según una probabilidad p y que libera un veneno en ese caso. Sin abrir la caja, y considerando solo la función de ondas se puede decir que el gato está tanto vivo como muerto… Pone de manifiesto el carácter “incompleto” de la mecánica cuántica y la imposibilidad de aplicarla al ámbito macroscópico.
Comentario.
El texto presenta una anécdota del carácter irreconciliable de las teorías cuánticas y la mecánica macroscópica, que sigue leyes deterministas. Frente a la escuela de Copenhague Einstein sigue considerando que la mecánica cuántica solo muestra la imposibilidad de penetrar experimentalmente los mecanismos físicos del mundo subatómico, pero no una estructura ontológica de la materia que no sigue leyes deterministas ni las reglas de la causalidad.
El “indeterminismo” del nivel subatómico no sería ontológico sino comparable con nuestra incapacidad para estudiar los gases a través de las interacciones mecánicas de cada una de las moléculas. Estas siguen interactuando entre ellas siguiendo los principios de la mecánica clásica. El tratamiento estadístico reflejaría esa misma imposibilidad, agudizada con problemas específicos de la menor escala y del funcionamiento de unas partículas más elusivas aún al tratamiento tradicional, pero que siguen estando sujetas a las leyes aunque “se escapen de las manos” en ese caso.
Habría algunas variables ocultas y por tanto desconocidas en el funcionamiento de esas partículas.
Bell propuso un “experimento crucial” para decidir entre ambas interpretaciones, este experimento fue llevado a cabo por Aspect y resultó favorable a la mecánica cuántica. Sin embargo, el debate continua, ya que se pone en cuestión el sentido de la noción de localidad en estos experimentos.
1. Enuncie los principios que los que se basa la teoría de la relatividad restringida.
Ver 2007. Septiembre. Reserva. 2PP
2. ¿Cuáles eran los problemas de la física que vino a resolver la teoría de la relatividad?
Ver 2007. Septiembre. Reserva. 2PP
3 Distinga entre la teoría de la relatividad restringida y la teoría de la relatividad general, y enuncie el principio básico en la que se fundamenta esta última.
Ver 2007. Septiembre. Reserva. 2PP
4. Describa el modelo de universo que propuso Einstein, basado en la teoría general de la relatividad.
Con la teoría de la Relatividad General el espacio deja de ser euclídeo. Einstein elimina la gravedad como fuerza, por considerarla una fuerza ficticia, consecuencia de la curvatura del espacio por las masas y la ralentización del tiempo. La línea recta pasa a ser curva. La gravedad afecta a la trayectoria de la luz, curvándola y reduciendo su frecuencia
El universo de la relatividad general está curvado sobre sí mismo y es finito. La curvatura depende de la cantidad de materia. Para que este universo finito no colapsara por la gravitación, Einstein introduce la “constante cosmológica”. Propone así un Universo estacionario, en equilibrio.
Esta nueva constante fue introducida exclusivamente con el fin de obtener el resultado que en la época se pensaba era el apropiado. Cuando se presentó la evidencia de la expansión de universo, Einstein llegó a declarar que la introducción de dicha constante fue el «peor error de su carrera».
Hay otras posibilidades: universo pulsante, cíclico, y universo abierto, hiperbólico, en continua expansión. En el límite entre los dos está el euclídeo.
(p. 1106)
6.- Suponga que tiene una vara de 1 metro, un espejo y dos relojes. ¿Cómo mediría la velocidad de la luz entre dos puntos A y B separados entre sí una distancia de 10 metros en el pasillo de su casa? Si hiciese la misma medida sobre un autobús que se mueve con velocidad uniforme por la calle, en la dirección el sentido de A a B, la velocidad del rayo de la luz que va de A a B ¿sería la misma que en la de otro rayo de luz fuese de B a A? Justifique la respuesta.
En el pasillo de casa: Desde a se manda un rayo a B donde se habrá puesto un espejo, y se mide el tiempo de ida y vuelta. La velocidad será 20 metros partido por x segundos.
En el autobús. La velocidad del rayo, una vez emitido, y estando en una línea isopotenciales será la misma en ambos casos, por la teoría de la relatividad. Pero los tiempos de A a B y de B a A serán distintos. En un caso el espejo en el que rebota el rayo se está alejando, pero a la vuelta se está acercando, así que lo que pierde por un sitio lo gana por otro.
Mas en 2007. Septiembre. Reserva. 2PP
2007. Junio. Primera Semana Plan Antiguo + Primera semana Plan Nuevo.
1.- ¿En qué se diferencian la electricidad y el magnetismo?
Son dos fenómenos muy relacionados pero distintos, de hecho hasta el experimento de Oersted no se vio la relación entre uno y otro. De hecho, esta pregunta no tendría sentido antes de ese experimento.
El magnetismo es un fenómeno de atracción o repulsión entre materiales. Si los electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, no presentará magnetismo. En los materiales magnéticos los electrones pueden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o pequeña que depende del número de electrones orientados.
Cuando la electricidad se reduce a cargas estáticas (que no se mueven) la electricidad y el magnetismo se pueden estudiar por separado, “no tienen nada que ver”, no interactúan. Por el contrario, una carga eléctrica en movimiento (es decir, la corriente eléctrica) produce un campo magnético que afecta y es afectado por otros campos magnéticos.
El magnetismo es un fenómeno que presenta siempre una polaridad. Todo imán tiene dos polos y si se rompe en dos partes las piezas siguen reproduciendo esa polaridad.
2.- ¿Qué progresos se realizaron en la investigación de la electricidad y del magnetismo en el s. XVIII?
Los imanes se empezaron a estudiar ya en el s. XVI (De magnete), pero los fenómenos eléctricos solo se empezaron a estudiar en el s. XVIII. Hay que tener en cuenta que las propiedades magnéticas de los cuerpos que las presentan son estables -el imán mantiene sus propiedades magnéticas salvo que se le someta a un proceso suficientemente intenso de calentamiento por ejemplo. Pero para estudiar los fenómenos eléctricos hubo que “producir la electricidad”. Producir electricidad entonces no era producir una corriente, sino cargar de electricidad a un cuerpo. Es decir, los fenómenos eléctricos estudiados en el s. XVIII eran electrostáticos.
La primera máquina para producir electricidad fue creada por von Guerike. De trataba de una rueda que hacía girar una bola de azufre que roza con dos paños de lana, con el rozamiento la bola se carga de electricidad y puede electrizar a otros cuerpos por contacto. Se había comprobado que en una bola de cristal vacía se producían chispas al frotar la superficie.
Esta máquina permite comprobar un conjunto de efectos curiosos, como la electrización de los cabellos, de una persona suspendida en el aire. Estos se ponen de punta porque se cargan todos con carga del mismo signo, por lo que se repelen. La electricidad se explicaba como “efluvios” de materia, que se podían sentir al aproximar la mano, ya que se erizaban los pelos.
Posteriormente Gray, comprobó que había materiales que se cargaban o otros que no. Son los que actualmente llamamos conductores y no conductores o aislantes. Gray también descubrió que una esfera hueca presentaba las mismas propiedades eléctricas que una maciza.
Dufay vio además que había dos tipos posibles de carga (vítrea y resinosa) y que los que presentaban el mismo tipo se repelían entre sí, y los de distinto tipo se atraían. Además descubre que si dos cuerpos con distinta carga se tocan se produce una chispa, una descarga eléctrica. Esto pone en relación los fenómenos luminosos y los eléctricos, y con el calor, ya que la fricción que electrizaba en cuerpo producía calor.
Otro de los descubrimientos esenciales fue la botella de Leiden (el condensador), que permitía almacenar la carga. Es una simple botella de vidrio con agua y un conductor que atravesaba el tapón. Al aplicarla a la máquina de Guerike la botella se carga si el exterior está “conectado a masa”.
La botella de Leiden permitió muchos experimentos (algunos más bien circenses) pero su funcionamiento fue difícil de explicar. Franklin propuso que existía un solo fluido eléctrico, presente en todos los cuerpos y que este se manifestaba solo cuando había un desequilibrio. Podía ser negativo o positivo (tenía más o menos de su capacidad), de ahí los dos tipos de carga.
Esto permitía explicar la carga de la botella: solo se cargaba cuando el cristal estaba conectado a masa a través de un conductor. Inspirado en este inventó el pararrayos, para controlar la descarga de la electricidad de las nubes.
A finales del siglo empiezan a estudiarse cuantitativamente los fenómenos eléctricos. Los primeros electrómetros consistían en dos hilos suspendidos de un conductor que se separan al ponerlos en contacto con una carga.
Los experimentos llevarían a la primera ley cuantitativa, la de Coulomb, similar a la ley de Gravitación universal de Newton: Dos cargas eléctricas se repelen (o atraen si son del mismo signo) con una fuerza proporcional a las cargas e inversamente proporcional a su distancia.
Coulomb parte de la idea de fuerzas inversamente proporcionales a la distancia. Se había demostrado que en el interior de una esfera hueca cargada no hay fuerzas de atracción, lo mismo había previsto Newton que sucedería con la atracción gravitatoria en el interior de una masa hueca.
Coulomb trata de comprobar que se cumple una ley análoga. Para ello diseña una balanza de torsión, muy sensible.
El último de los descubrimientos del siglo fue el de la “electricidad animal” de Galvani: al poner unas ancas de rana sobre una plancha metálica y aplicar a los nervios un hilo de cobre conectado a la plancha, las ancas se mueven con espasmos, como saltando. Volta propone que la electricidad se crea por el contacto entre dos metales distintos. Esto llevaría a su pila de Volta, que consiste en una sucesión de planchas alternas de dos metales en contacto.
3.- Describa el descubrimiento de Oersted al que se refiere el texto.
Oersted se dio cuenta al dar una conferencia que al aproximar una aguja imantada a una corriente eléctrica. La brújula se situaba en perpendicular con la dirección del conductor y que cambiaba de orientación según la situara por encima o por debajo.
4.- El descubrimiento de Oersted inspiró una serie de investigaciones, entre ellas las llevadas a cabo por Michael Faraday. En el transcurso de las mismas descubrió la inducción electromagnética. ¿En qué consiste este fenómeno, y cómo lo explicó Faraday?
Faraday pensó que si una corriente creaba un efecto magnético, un imán podría crear una corriente y un conductor “inducir” corriente en otro.
Faraday empezó investigando la inducción de una corriente por otra. Esta se daba no con corrientes estacionarias, sino cuando estas variaban. Es decir, es la variación del campo magnético y eléctrico la que induce la corriente.
Faraday supuso que al iniciarse la corriente en el conductor primario, el conductor secundario adquiere un estado de tensión que dura hasta que esta se estabiliza. Cualquier variación de la corriente primaria produce una variación de la tensión del otro y una corriente inducida.
Esta explicación no era suficiente sin embargo para la inducción magnética. Esta consiste en que un imán que se desplaza en las proximidades de un conductor induce una corriente en este (o un conductor que se desplaza en las proximidades de un imán).
Faraday propone que le imán crea un campo magnético cuya dirección de puede poner de manifiesto con una aguja imantada, o con limaduras de hierro. Se puede representar por líneas de fuerza que salen del polo norte y van al sur. La intensidad de estas se representa por la proximidad de las líneas, que están más juntas cerca del imán.
Faraday propone que la corriente inducida en el imán es proporcional a las líneas de fuerza que este corta en su movimiento.
(p. 808 y 813)
5.- A su vez, Maxwell basó sus investigaciones en la teoría de Faraday. Explique en qué consistieron esas investigaciones.
Maxwell matematizó las ideas de Faraday. Emplea el concepto de líneas de fuerza de Faraday como una representación geométrica de la estructura del campo con fuentes, sumideros, superficies equipotenciales.
Introdujo los conceptos de fuerza y flujo. El flujo (magnético y eléctrico) corresponde a las líneas de fuerza que atraviesan una superficie. La fuerza se calcula integrando a lo largo de las líneas de fuerza, como diferencia de potencial. Maxwell propuso cuatro ecuaciones diferenciales que relacionan estas magnitudes vectoriales.
Para explicar la intensidad de la fuerza imaginaba un fluido incompresible que se movía en tubos formados por líneas de fuerza. Denominaba el modelo geométrico del flujo de fluido una “analogía física” que presentaba “a la mente las ideas matemáticas en una forma tangible”. El modelo geométrico de líneas, superficies y tubos ofrecía una representación visual de las líneas de fuerza, de manera que el fenómeno a explicar permanecía claramente a la vista.
El modelo geométrico del campo, que representaba a éste mediante líneas de fuerza, presuponía que se asumiese el espacio absoluto. Para Maxwell el concepto de espacio absoluto era el fundamento de la geometría de las relaciones entre los entes materiales. El campo, tal y como se representaba geométricamente mediante líneas de fuerza, estaba en el espacio, y el espacio era una categoría ontológica fundamental, la condición de la existencia del campo. Para Maxwell una representación física del campo requería la formulación de una teoría del éter, sustrato del campo.
Sugería una analogía mecánica para explicar la rotación de los vórtices alrededor de ejes paralelos en la misma dirección: la de una máquina en la que una “rueda de engranaje” se colocaba entre dos ruedas que se quería girasen en la misma dirección.
Maxwell representaba el “medio magneto-eléctrico” como un éter celular, descrito como una colmena. Cada célula consistía en un vórtice molecular circundado por una capa de partículas del tipo “rueda de engranaje”, que sufrirían un movimiento de traslación si los vórtices adyacentes tuviesen velocidades angulares diferentes, correspondiendo el movimiento de esas partículas al flujo de una corriente eléctrica en un campo magnético no homogéneo. La teoría era una teoría “física” de las “líneas de fuerza”, porque el campo de fuerza se representaba mecánicamente mediante una teoría de la transmisión de fuerza entre las partículas del éter.
Posteriormente propone que esta estructura es elástica, por lo que se deforma cuando está sometida a tensión. Las propiedades del medio, permitividad eléctrica y permeabilidad magnética explican así los fenómenos electromagnéticos de inducción….
Nuevas reflexiones sobre este problema dieron lugar a una inesperada unificación de la óptica y el electromagnetismo. Maxwell calculó la velocidad de las ondas elásticas transversales, que correspondían a la propagación de un desplazamiento eléctrico en el medio magnético-eléctrico, y halló que las ondas elásticas transversales se transmitían con la misma velocidad que las ondas de luz.
La identificación de los medios electromagnético y lumínico fue un gran desarrollo de la teoría del éter. La unificación de la óptica y del electromagnetismo mediante la teoría mecánica del éter fue completada con un tratamiento de la rotación magneto-óptica basado en la teoría de los vórtices moleculares.
II.- Comente el texto.
2006. Septiembre. Reserva. 1PP. Plan nuevo
1.- Las manipulaciones de Joseph Black con la magnesia alba se pueden compendiar así:
Magnesia alba + calor – magnesia usta + aire fijo
Magnesia alba + ácido – sal de magnesia + agua + aire fijo
Magnesia alba + ácido – sal de magnesia + agua
Explique qué concluyó de esto y la importancia de dicha conclusión para el desarrollo de la química de la época.
Ver: 2007. Septiembre. 2P. Plan Nuevo.
2.- ¿Qué sucede al calcinar un metal? ¿Cómo se interpretaba desde la teoría del flogisto y cómo se interpretó posteriormente por Lavoisier?
Ver: 2007. Septiembre. 2P. Plan Nuevo.
3.- Cuando los metales reaccionaban con soluciones de ácidos en agua, ¿qué encontró H. Cavendish que resultaba? ¿Cuál era, por otra parte, el producto de tratar con ácido las cales metálicas? ¿Cómo se explicaba esto desde la teoría del flogisto?
(p. 724-5) Cavendish obtuvo así el “aire inflamable”, el hidrógeno.
Al tratar con ácido las cales metálicas se obtiene el oxígeno. Se vio que aceleraba la combustión, dando lugar al aire viciado (CO2). Se consideraba que tomaba con avidez el flogisto de otros componentes (en la combustión), por lo que se le llamó aire desflogistizado. Al “flogistizarse” el oxígeno se obtenía el CO2.
4.- El descubrimiento de la naturaleza compuesta del agua tuvo gran importancia para la teoría que estaba desarrollando Lavoisier. ¿Por qué? O, más concretamente, cómo puedo explicar Lavoisier gracias a estos las reacciones por la vía húmeda entre metales y ácidos?
(p. 731) Permitió el enterramiento de la teoría del flogisto.
Los hechos de las reacciones de ácidos y metales:
ácido + metal > sal + gas inflamable (que se consideraba flogisto suelto).
ácido + cal > sal, sin gas inflamable.
¿Por qué en uno hay gas y en el otro no?
Desde la teoría del flogisto es inmediata (Metal = Cal + flogisto), lo que se desprende es el flogisto.
Para Lavoisier la solución estuvo al saber que el agua era hidrógeno (gas inflamable) y oxígeno (gas desflogistizado). Antes el agua se consideraba como un medio, Lavoisiser propone que el gas inflamable que se desprende al aplicar un ácido al mental procede del agua. Por su parte el oxígeno que convierte al metal en una cal se combina con el ácido para dar la sal.
5.- Explique cómo caracterizó Lavoisier al calórico y la función que desempeñaba este éste en su nueva química.
(p. 667)
Tras Lavoisier queda patente que los antiguos elementos (tierra, aire, agua) no son tales sino compuestos. Sin embargo para el antiguo fuego propone el calórico. Para Lavoisier, el calórico era uno de esos fluidos sutiles. Era elástico y perneaba los cuerpos y tendíaa repartirse por ellos. Podía hallarse libre, “en el aire” o dentro de los cuerpos. El estado de una sustancia dependía de la cantidad de calórico que hubiera absorbido.
En resumen, el calórico era una sustancia material, química, aunque sin peso.
6.- Comentario de texto. Métodos y problemas de la química de la época.
2006. Septiembre. Reserva. 1PP
¿Que pruebas de la teoría de la gravitación de Newton se hallaron durante la Ilustración?
Las pruebas de la gravitación (fuerzas a distancia) hay que entenderlas como pruebas contra la alternativa cartesiana de los vórtices.
- La tierra achatada en los polos, por la rotación de la tierra. Para los franceses estaba achatada en el ecuador. Se había observado que en el ecuador hay que reducir la longitud del péndulo, porque va más lento. La teoría de Newton lo explica porque la gravedad depende de la distancia al centro de la tierra. En el ecuador, más lejano si está achatada, es menos intensa. Al comprobarse tras enviar una expedición que era así, queda corroborada la teoría de Newton.
- Los movimientos de la Luna y los planetas. El mayor problema de contrastación de la ley de gravitación universal venía dado por el hecho de que en cuanto hay más de dos cuerpos las soluciones solo pueden ser aproximadas, no exactas, porque las orbitas ya no son elípticas. Para ello hubo que afinar los instrumentos (telescopios con miras graduadas, etc.). La teoría de Newton pudo explicar diversas “anomalías” de las órbitas del Sistema Solar:
- El giro de la línea de ápsides de la Luna (la que va del apogeo al perigeo de la órbita). Al haberse despreciado algunos términos del desarrollo de la aproximación a la trayectoria, las cosas no cuadraban. Todo se aclaró cuando se tuvieron en cuenta.
- El retorno del cometa Halley. Tras estudiar los registros de su aparición (entre 75 y 76 años) Halley concluyó que era el mismo cuerpo y predijo su aparición. Explicó la variación del período por la posición de Júpiter, planeta masivo cuya gravedad afecta al comenta.
(p. 691)
¿Que fluctuaciones periódicas encontró James Bradley en la posición de las estrellas fijas? Explíquelas.
Bradley descubrió la aberración de la luz y la nutación del eje terrestre.
- Al tratar de observar la paralaje estelar de una estrella comprobó que describía una elipse pequeña (40’’) a lo largo del año. No podía tratarse de la paralaje, por lo que concluyó que era consecuencia del movimiento de la Tierra. Explicación.
- Al tratar de explicar los datos, vio que aparte de esta aberración hay un movimiento aparente con un período de 18 años de duración. También se lo aplicó a la tierra. El eje de la Tierra tiene un movimiento de precesión y uno de nutación, como una peonza. La causa Explicación. Se debe a las diferencias de la fuerza de atracción del sol y sobre todo la luna sobre el abultamiento ecuatorial de la Tierra.
Describa la labor astatronómica de William Herschel.
Construye un telescopio reflector, con el que descubre Urano.
Vía Láctea y Estructura el universo. Herschel estudió cómo variaba el número de estrellas en los distintos lugares del cielo mediante un muestreo. Comprobó que su número aumentaba continuamente en dirección a la Vía Láctea, con máximo en el plano de ésta y mínimo en dirección perpendicular al plano. No hay razón que explique este hecho, por lo que propuso que las estrellas estaban concentradas en un volumen espacial no esférico, sino en forma de lente o de piedra de afilar, con el Sol cerca del centro. Para Herschel el “sistema sidéreo” era finito con una forma bien definida.
Tamaño de la Galaxia: Asumiendo una separación interestelar uniforme, trató de hacer una estimación del tamaño: el diámetro máximo de esta Galaxia en forma de lente es de 800 veces la distancia media entre dos estrellas. Para esta distancia tomó la del Sol a Sirio. El diámetro mínimo lo estimó en 150 veces.
Supuso que el Sol estaba centrado, ya que la Vía Láctea da la sensación de rodear el cielo por completo y de que su brillo parecía uniforme en todo punto. 12
Las observaciones de Herschel y el razonamiento de Olbers lograron enterrar durante un siglo entero la noción de un Universo infinito.
Estudió los movimientos propios de las estrellas. Comprobó que las estrellas no giran alrededor del Sol sino que son aleatorios. Se preguntó entonces por el Sol. Si el Sol se mueve, las estrellas situadas delante de él y en la dirección del movimiento parecerían aproximarse al Sol y, por consiguiente, que divergen. Y las situadas detrás del Sol y en dirección opuesta a la de su avance parecerían alejarse de él y que convergen.
Con estos supuestos, Herschel consiguió establecer que el Sol se mueve y hacia la constelación de Hércules. En realidad, constelación de Lira, vecina de Hércules. A unos 19 kilómetros por segundo.
Estrellas dobles: Comprobó que estaban distribuidas por todo el universo: La ley de la gravitación es universal.
Estudia también las nebulosas y localiza más de 2500. Pero creyó que eran nubes que se condensarían en estrellas, no conjuntos grandes de estrellas.
¿Que similitudes y que diferencias se daban en el siglo XVIII entre la astronomía y la física experimental?
Ni idea. A qué se refiere. ¿Diferencias y similitudes formales, metodológicas? Entre las similitudes veo que apenas hay nuevas teorías, sino observación y experimentación.
¿En que consistían los “fluidos sutiles”? ¿Puede contarse entre ellos el éter que llenaba los espacios interplanetarios e interestelares? ¿Qué papel jugaron estos fluidos sutiles en el desarrollo de la física experimental?
urgen por una especie de compromiso entre el mecanicismo de Descartes (según el cual el mundo es un plenum) y la acción a distancia en el vacío de Newton. Además, Newton presenta dos concepciones de la materia. En una primera etapa la considera compuesta de átomos combinados de forma diversa y dispersos en un gran vacío, por lo que las interacciones de contacto son bastante escasas. Toda la materia del universo cabría en una cáscara de nuez. Posteriormente introdujo un éter muy sutil, imponderables (no pesan), que unificaría todas las interacciones a distancia de la materia.
En otras ocasiones se proponen distintos fluidos, que sirven para explicaciones ad hoc de algunos fenómenos difíciles como la electricidad, el magnetismo, la luz, el fuego o el calor. Por ejemplo el calórico. Las propiedades eléctricas, etc. de los cuerpos se explican por la cantidad de ese fluido que contienen.
Digamos que sí, aunque no es fluido, sino un sólido elástico (para que no pierda energía en la interacción entre sus partes). Debía además permear la materia. Además, hay que tener en cuenta que se propusieron distintos tipos de éter para explicar la transmisión de la luz como onda transversal.
Se puede considerar que jugaron un papel intermedio, instrumental, ya que sirvieron para cuantificar algunos fenómenos y proporcionar modelos teóricos para explicarlos. Por ejemplo el calórico (…)
2006. Septiembre. Reserva. 2PP
¿Qué es el cuerpo negro? ¿Qué anomalías presentaba la distribución de radiación que emite un cuerpo de este tipo al ser calentado?
En examen más reciente.
¿Qué es un “cuanto”? ¿Por qué se formulo este concepto, y a que se aplico?
La radicación no se emite en cualquier cantidad, sino en paquetes de intensidad mínima y longitud de onda determinada; es decir, en fotones. Se introdujo para explicar fenómenos como la radiación del cuerpo negro y el hecho de que el electrón no caiga sobre el núcleo al perder energía, ya que es una carga que se mueve en un campo eléctrico. Si los niveles de energía están cuantificados, habrá órbitas estables.
Describa el modelo de átomo de Rutherford y por qué fue formulado.
En un átomo que concentra la masa en un punto cargado positivamente y con electrones alrededor, muy separados. Tenía un problema: no explicaba por qué los electrones no se caían al núcleo, que los atraería con mucha fuerza.
Con la desintegración del núcleos de Uranio se descubrieron tres partículas, los rayos alfa (después se vió que eran núcleos de helio) los beta (electrones) y los gamma (similares a los R-X). Se comprobó que los electrones tenían poca masa y carga negativa. La materia debería tener entonces también cargas positivas para neutralizar la carga total.
Se propusieron distintos modelos: saturnino, como los anillos de saturno, o “pasas en pastel”, desperdigados. Thompson propone otro modelo, con algunos átomos en la superficie (los responsables de los enlaces químicos) pero la mayoría en un núcleo positivo de tamaño grande.
Rutherford al bombardear una lámina metálica fina con partículas alfa vio que algunas pocas se desviaban, incluso rebotaban, y propuso un núcleo con carga positiva, muy pequeño, el resto hueco, con una nube de electrones alrededor: el modelo planetario.
¿Cuáles fueron las aportaciones de De Broglie y de Schrödinger al estudio del mundo atómico? ¿Cómo cambiaron la imagen del electrón?
En exámenes posteriores. Otras exámenes: onda-corpúsculo.
Enuncie y explique el principio de indeterminación de Heisenberg. ¿Por qué se formulo?
En exámenes anteriores.
¿Qué funciones desempeñaba el éter en la física prerrelativista?
El éter era el soporte del campo electromagnético de la luz. Las teorías sobre luz de los siglos XVII al XIX se debatían entre el carácter corpuscular y el carácter de onda. En el siglo XIX, tras las investigaciones de Fresnell y Yong se pasó a considerar que consistía en una onda. Pero una onda necesita un soporte material para propagarse. En el caso de la luz y del campo magnético, se propone que el éter es el asiento de la propagación de las ondas.
Enuncie el principio de relatividad de Einstein y explique en que se diferencia del de Galileo.
Está aquí perfectamente explicado.
Los dos postulados de Einstein son:
1- La luz se mueve siempre a una velocidad constante de 300000 Kilómetros por segundo en el vacío, independiente de la velocidad de la fuente que la emita.
2- No existe ningún experimento posible en un vehículo que nos permita saber si nos estamos moviendo a velocidad constante y en línea recta.
El segundo principio se puede enunciar más formalmente de esta forma: “los efectos de las leyes físicas deben resultar iguales para cualquier observador que viaja a velocidad constante y en línea recta”
El principio de la relatividad de Galileo establece que:
“Dos sistemas de referencia en movimiento relativo de traslación rectilínea uniforme son equivalentes desde el punto de vista mecánico; es decir, los experimentos mecánicos se desarrollan de igual manera en ambos, y las leyes de la mecánica son las mismas.”
Parece, en un primer vistazo, que no dice nada que no hubiera ya explicado Galileo, sin embargo, donde Galileo hablaba de mecánica, Einstein habla de todas las leyes físicas. De hecho, en tiempos de Galileo no había teoría sobre gravitación ni sobre electromagnetismo.
Las consecuencias de estos principios para los conceptos de tiempo, velocidad y espacio son espectaculares, ya que cambian. Deja de haber espacio de referencia absoluto y reposo. El tiempo se ralentiza y las dimensiones de los cuerpos en movimiento se acortan cuando son observados desde cuerpos en reposo relativo en relación con los otros.
Describa el experimento de Michelson-Morley y explique como confirma la teoría especial de la relatividad.
El experimento de Michelson-Morley fue uno de los más importantes y famosos de la historia de la física. Se realizó en 1887 y está considerado como la primera prueba contra la teoría del éter. El resultado negativo del experimento constituiría posteriormente la base experimental de la teoría de la relatividad especial de Einstein.
Motivación del experimento
La teoría física del final del siglo XIX postulaba que, al igual que las olas y el sonido necesitan un medio para transportarse (agua y aire), la luz también necesitaría un medio, llamado “éter”. Como la velocidad de la luz es tan grande, diseñar un experimento para detectar la presencia del éter era muy difícil.
El propósito de Michelson y Morley era medir la velocidad relativa a la que se mueve la Tierra con respecto al éter. Razonaron que, si el éter era real, la Tierra se movería por él como un avión por el aire, produciendo un “viento del éter” detectable. Cada año, la Tierra recorre una distancia enorme en su órbita alrededor del Sol, a una velocidad de 30 km/s, más de 100.000 km/h. Se creía que la dirección del “viento del éter” con respecto a la posición de la estrella variaría al medirse desde la Tierra, y así podría ser detectado. Por esta razón, y para evitar los efectos que podría provocar el Sol en el “viento” al moverse por el espacio, el experimento debería llevarse a cabo en varios momentos del año.
El efecto del viento del éter sobre las ondas de luz sería como el de una corriente de un río en un nadador que se mueve constantemente a favor o en contra de la corriente. En algunos momentos el nadador sería frenado y en otros impulsado. Esto es lo que se creía que pasaría con la luz al llegar a la Tierra con diferentes posiciones con respecto al éter, llegaría con diferentes velocidades.
Descripción del experimento
En la base de un edificio cercano al nivel del mar, Michelson y Morley construyeron lo que se conoce como el interferómetro de Michelson. Se compone de una lente semiplateada, que divide la luz monocromática en dos haces de luz que viajan en un determinado ángulo el uno respecto al otro. Al abandonar la división, cada haz se refleja varias veces entre unos determinados espejos (para que tengan más recorrido o camino óptico). Finalmente se vuelven a unir, creando un patrón de interferencia que depende de la velocidad de la luz en los dos brazos del interferómetro. Cualquier diferencia en esta velocidad (provocada por la diferente dirección de movimiento de la luz con respecto al movimiento del éter) sería detectada.
Confirma la teoría de la Relatividad porque muestra que la velocidad de la luz es constante, y que los movimientos son solo relativos al sistema, sin que haya un sistema de referencia absoluto, como ese supuesto eter en reposo.
¿Como se concibe actualmente la naturaleza de la luz?
Como onda y como corpúsculo a la vez. Tiene una naturaleza dual. Como onda porque es un fenómeno de propagación, vibratorio, periódico, con fenómenos como la interferencia, la difracción, etc. Como corpúsculo, porque la luz no es un fenómeno continuo infinitamente divisible sustentado en otro material (como es el caso de otras ondas como las olas, el sonido), sino que se presenta en cantidades mínimas discretas.
Dentro del espectro de la luz, las altas frecuencias (rayos gamma, R-X) se presentan y se pueden tratar como corpúsculos, mientras que las bajas frecuencias (ondas de radio) se presentan como ondas.
¿Cómo sincronizaría dos relojes situados en puntos alejados entre si? ¿Le parece convencional este procedimiento de sincronización? ¿Que tiene que ver esto con el segundo postulado de la relatividad especial?
Hay que tener en cuenta qué significa sincronizar en uno y otro caso, porque el tiempo es local.
Pensando desde el tiempo absoluto, habría que mandar la hora de uno a otro y el que la recibiera debería tener en cuenta que el reloj que la mandó muestra en el momento de recibirla esa hora más el cociente de dividir la distancia por la velocidad de la luz. De esta manera se sabe en uno la hora que es en otro.
Sí, es convencional. El tiempo es un fenómeno local de cada punto del espacio. Tan buena es la hora en uno como en otro.
El segundo postulado indica que la velocidad de trasmisión de la luz es constante. Esto permite hacer las trasformaciones correspondientes de los tiempos locales, que dependen de la distancias de los distintos puntos del espacio.
Ver 2007. Septiembre. 1PP.
¿Como dio Darwin con la clave para la aplicación de la selección, empleada en el caso de especies domesticadas, a los seres vivientes en estado natural?
Al leer a Malthus. 2007. Septiembre. 2PP
¿Cuál pensaba Darwin que era la fuente de al variabilidad entre individuos de una misma especie, variabilidad sobre la que actuaba el mecanismo de la evolución?
Darwin clasificó las variaciones en:
Espontáneas, sin causa conocidas. Apenas trató de ellas.
Provocadas por el medio: Son de dos tipos, adaptativas (apenas las trata) y aleatorias, más numerosas, y sobre las que actúa la selección.
Provocadas por el uso o desuso de órganos. Es una idea semejante a la de Lamarck, pero su papel es reducido; además no consideró que existiera una fuerza interior que llevara al desarrollo.
Su teoría sobre la herencia, es la pangénesis típica de su época. Las células del organismo tienen los caracteres del individuo en unas partículas llamadas gémulas, que se distribuyen por la sangre y se fijan en los gametos, transmitiéndose así a los hijos, por mezcla de las de los padres. Las gémulas reciben la influencia del ambiente, que puede provocar cambios, además permiten la transmisión de los caracteres adquiridos por los padres.
(p. 942)
¿Según la teoría de Darwin, como se formaría una nueva especie?
Cambios graduales que se acumulan. 2007. Septiembre. 2PP
Describa las repercusiones de la teoría de Darwin en el campo de la filosofía social.
El darwinismo y la selección natural sirvieron de inspiración al llamado darwinismo social. Que extiende el mecanismo evolutivo propuesto por Darwin a las sociedades humanas, a su desarrollo y al de sus instituciones.
El principal autor del darwinismo social fue Herbert Spencer contemporáneo de Darwin y muy popular en su época. Spencer interpretó la selección natural en términos de la “Supervivencia del más apto”. Los instintos sociales o los sentimientos morales habrían evolucionado a través de la selección natural aunque nunca llegó a explicar cómo la presión evolutiva sobre diferentes individuos podía afectar al colectivo de una sociedad.
Fue popular desde finales del siglo XIX hasta el final de la Segunda Guerra Mundial. Los proponentes del darwinismo social utilizaban esta teoría para justificar diferentes esquemas sociales imperantes durante este periodo de tiempo desde el capitalismo a la justificación de la desigualdad social. Entre sus influencias más extremas se citan el comienzo de la eugenesia y de las doctrinas raciales Nazis. Se ha utilizado la teoría para justificar desde la inevitabilidad del progreso a las doctrinas raciales. Darwin pensaba que la distancia entre el hombre y el mono aumentaría con la desaparición de los negros.
Describa las ideas de Nageli y Weismann en el campo de la genética y la herencia y relaciónelas con la teoría de la evolución.
Nageli y Weismann estudiaron el mecanismo celular de la herencia a finales del s. XIX.
Nageli propone que solo una pequeña parte de la célula, el idioplasma es el portador de la herencia. Había igual cantidad en esperma y en óvulo. Las células tenían unas unidades, las micelas, que se unían en cadenas, formando el idioplasma. Este idioplasma podría sufrir variaciones, sobre las que actuaría la selección natural. La evolución se produciría a saltos en este caso.
Weismann propone “un plasma germinal”, responsable de la transmisión de los caracteres, frente al plasma somático, propio del cuerpo. En los seres sexuados, el plasma germinal reside en los gametos, independientes del resto de las células del cuerpo. Posteriormente Weismann relacionó el plasma germinal con los cromosomas. La meiosis sería la forma de trasmitir los caracteres de los padres a los hijos a través de los gametos.
La transmisión sigue un modelo de “herencia blindada”, la evolución solo es posible por las recombinaciones de este germoplasma, que está sometido a las presiones del medio. En este caso, los cambios de las especies se deben solo a la selección natural del material genético de las especies. Se llamó neodarwinismo a esta teoría.
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