JUNIO 2001 INSTRUCCIONES GENERALES Y VALORACIÓN La prueba consta de dos partes. La primera parte consiste en un conjunto de cinco cuestiones de tipo teórico, conceptual o teórico-práctico, de las cuales el alumno debe responder solamente a tres. La segunda parte consiste en dos repertorios A y B, cada uno de ellos constituido por dos problemas. El alumno debe optar por uno de los dos repertorios y resolver los dos problemas del mismo. TIEMPO: Una hora treinta minutos. CALIFICACIÓN: Cada cuestión debidamente justificada y razonada con la solución correcta se calificará con un máximo de 2 puntos. Cada problema debidamente planteado y desarrollado con la solución correcta se calificará con un máximo de 2 puntos. En aquellas cuestiones y problemas que consten de varios apartados, la calificación será la misma para todos ellos, salvo indicación expresa en los enunciados.

Primera parte Cuestión 1. En el movimiento circular de un satélite en torno a la Tierra, determine: a) La expresión de la energía cinética en función de las masas del satélite y de la Tierra y del radio de la órbita. b) La relación que existe entre su energía mecánica y su energía potencial. Solución. a.

En el movimiento circular de un satélite en torno a la tierra se cumple que: M ·m v2 ms · = G· T s R R2 simplificando: M ·m m s ·v 2 = G ⋅ T s R multiplicando por ½ toda la expresión anterior: M ·m 1 1 m s ·v 2 = G ⋅ T s 2 2 R por tanto M ·m 1 E c = ·G ⋅ T s -12 R b. La energía mecánica de un satélite es una constante del movimiento, debido a que el campo gravitatorio es conservativo. Es igual a la suma de E cinética y E potencial. Em = Ec + Ep

M ·m 1 mV 2 − G ⋅ T s 2 R Se puede utilizar la expresión anterior -1-, y se ve que: M ·m −1 1 Ec = Ep = G ⋅ T s 2 2 R Por tanto: M ·m M ·m M ·m 1 -1 Em = G ⋅ T s − G ⋅ T s Em = G ⋅ T s 2 R R 2 R Em =

Autora: Beatriz San Juan Garrido Lda. Ciencias Físicas. Dpto. Física Teórica U.A.M.

Em =

Ep 2

Cuestión 2. Un muelle cuya constante de elasticidad es k está unido a una masa puntual de valor m. Separando la masa de la posición de equilibrio el sistema comienza a oscilar. Determine: a) El valor del período de las oscilaciones T y su frecuencia angular ω. b) Las expresiones de las energías cinética, potencial y total en función de la amplitud y de la elongación del movimiento del sistema oscilante. Solución. a. La masa oscila realizando un M. A. S. De ecuación: x (t ) = A cos(ωt + ϕ o ) La frecuencia del movimiento viene dada por:

ω=

k m

ω=

2π T

La relación entre ω y T es:

por tanto: T=

b.

2π ω

2π

T=

T=

k m

La Energía cinética viene expresada por E c =

m ·2π seg k

1 mV 2 2

Si la posición de la masa viene expresada por x (t ) = A cos(ωt + ϕ o ) derivando se obtiene la expresión de la velocidad de la partícula d x (t ) v(t ) = − Aωsen (ωt + ϕ o ) dx con estas expresiones se plantea el sistema: - 1 - v(t ) = − Aωsen (ωt + ϕ o )  - 2 - x (t ) = A cos(ωt + ϕ o ) 

Si operamos con las ecuaciones (1) y (2) de la posición y la velocidad:  v2 = A 2 sen 2 (ωt + ϕo )  ω2  x 2 = A 2 cos 2 (ωt + ϕo ) sumando estas ecuaciones y sacando factor común en el segundo miembro de A2

v2 ω v

2

ω

2

2

+ x2 = A2

(

= A2 − x2

v 2 = ω2 A 2 − x 2

por tanto, la energía cinética es:

Ec =

(

1 mω 2 A 2 − x 2 2

La energía Potencial viene expresada por:

Autora: Beatriz San Juan Garrido Lda. Ciencias Físicas. Dpto. Física Teórica U.A.M.

)

)

Ep = Energía total es la suma de ambas: E T = E c + E p

(

)

1 1 mω 2 A 2 − x 2 + mω 2 x 2 2 2 1 1 = mω 2 A 2 E T = kA 2 2 2

ET = ET

1 2 kx 2

Cuestión 3. Un electrón que se mueve con una velocidad de 106 m/s describe una órbita circular en el seno de un campo magnético uniforme de valor 0’1 T cuya dirección es perpendicular a la velocidad. Determine: a) El valor del radio de la órbita que realiza el electrón. b) El número de vueltas que da el electrón en 0’001 s. Datos: Masa del electrón me= 9’1×10−31 kg Valor absoluto de la carga del electrón e = 1’6×10−19 C Solución.

a. La fuerza de Lorentz que experimenta el electrón, hace que describa una trayectoria circular. Es una fuerza normal. (siempre perpendicular a la velocidad). F = q·(V x B) El modulo de F es:

F = q·V·B sen 90º que es la fuerza centrípeta, por tanto:

-1 -

m·

v2 = q·V·B R

de -1-, se despeja el radio de la órbita:

R=

m⋅v qB

Sustituyendo los valores numéricos:

R = 5'68·10 −5 m Se calcula el periodo(T) del movimiento circular: 2πR T= T = 3'57·10-10 seg (tiempo que tarda en dar 1 vuelta) v El nº de vueltas será: 0'001seg = n º vueltas : 2'8·106 −10 seg 3'57·10 revolución b.

Autora: Beatriz San Juan Garrido Lda. Ciencias Físicas. Dpto. Física Teórica U.A.M.

Cuestión 4. Un rayo de luz monocromática que se propaga en un medio de índice de refracción 1’58 penetra en otro medio de índice de refracción 1,23 formando un ángulo de incidencia de 15º (respecto a la normal) en la superficie de discontinuidad entre ambos medios. a) Determine el valor del ángulo de refracción correspondiente al ángulo de incidencia anterior. Haga un dibujo esquemático. b) Defina ángulo límite y calcule su valor para este par de medios. Solución. a.

Puesto que n2 < n1, el rayo refractado se aleja de lo normal.

El valor concreto del ángulo de refracción lo calculamos mediante la ley de Snell. n 1sen ϕ i = n 2 sen ϕ r Si n ϕ i = 15º ⇒ sen ϕ r = 1 sen 15º n2 Sustituyendo valores: ⇒ ϕ r = arcsen 0'33 = 19'42º sen ϕ r = 0'33 b. Ángulo limite, es aquel ángulo de incidencia a partir del cual, el rayo no se refracta, sino que se refleja totalmente(Reflexión total).

Para este ángulo limite, se observa que ϕ r = 90º . Aplicando la ley de Snell:

n 1sen ϕ L = n 2 sen ϕ r n sen ϕ L = 2 ϕ L = 51'1º n1

Autora: Beatriz San Juan Garrido Lda. Ciencias Físicas. Dpto. Física Teórica U.A.M.

Cuestión 5. Un haz de luz monocromática de longitud de onda en el vacío 450 nm incide sobre un metal cuya longitud de onda umbral, para el efecto fotoeléctrico, es de 612 nm. Determine: a) La energía de extracción de los electrones del metal. b) La energía cinética máxima de los electrones que se arrancan del metal. Datos: Velocidad de la luz en el vacío c = 3×l08 m s−1. Constante de Planck h = 6,63×10−34 J s Solución.

λ = 450 ×10 −9 m λ o = 612 × 10 −9 m a.

La energía de extracción o energía umbral: hν = hν o +

1 mv 2 2

1 mv 2 2 Teniendo λo, se halla la EEXTRACCION, calculando previamente la frecuencia umbral C νo = ν o = 4'9·1014 Hz E = h·ν o E = 3'25·10-19 J λo hν o = hν −

b.

La ecuación del balance energético es:

h ⋅ν = h ⋅νo +

1 mv 2 2

Despejando la energía cinética:

1 mv 2 = hν − hν o 2 Ec = h (ν − ν o ) Se calcula la ν que le corresponde a la luz monocromática de λ = 450nm. ν=

c λ

ν=

3·108

ν = 6'67·1014 Hz

450·10 −9 m

y la energía cinética es:

(

Ec = 6'63·10 −34 6'67·1014 − 4'9·1014 Ec = 1'171·10

−19

J

)

Ec = 0'732 e V

Autora: Beatriz San Juan Garrido Lda. Ciencias Físicas. Dpto. Física Teórica U.A.M.

Segunda parte REPERTORIO A Problema 1. Dos satélites artificiales de la Tierra S1 Y S2 describen en un sistema de referencia geocéntrico dos órbitas circulares, contenidas en un mismo plano, de radios r1=8000 km y r2=9034 km respectivamente. En un instante inicial dado, los satélites están alineados con el centro de la Tierra y situados del mismo lado: a. b.

¿Qué relación existe entre las velocidades orbitales de ambos satélites? ¿Qué relación existe entre los periodos orbitales de los satélites? ¿Qué posición ocupará el satélite S2 cuando el satélite S1 haya completado seis vueltas, desde el instante inicial?

Solución. a.

Estableciendo que la fuerza gravitatoria es la fuerza normal del movimiento: M ·m v2 ms ⋅ = G⋅ T s R R2 despejando la velocidad(v) se obtiene G ⋅MT v= R aplicando a cada uno de los satélites está ecuación:  G·M T Para S1 : v1 = (1)  R1   G·M T Para S 2 : v 2 = (2) R2  dividiendo la ecuación -1- entre la ecuación -2-, se obtiene la relación pedida v1 R2 = v2 R1 Sustituyendo los datos numéricos: V1 = 1'13 V2

Autora: Beatriz San Juan Garrido Lda. Ciencias Físicas. Dpto. Física Teórica U.A.M.

b.

Para hallar la relación entre los periodos orbitales se parte de la ecuaciones: 2π v T= ω= ω R sustituyendo en la ecuación del periodo la velocidad angular 2πR T= v Aplicando la ecuación anterior para los dos satélites 2πR 1  T1 = v1  ] 2πR 2   T2 = v 2  la relación entre los periodos se obtiene dividiendo ambas expresiones: T1 V2 R 1 = T2 V1 R 2

Sustituyendo los valores numéricos y teniendo en cuenta que si

V1 = 1'13 ⇒ V2

V2 1 = V1 1'13

T1 1 8 × 10 6 = ⋅ = 0'78 T2 1'13 9'034 × 10 6 Los resultados permiten concluir que el satélite más cercano a la Tierra(S1) se mueve a mayor velocidad y completa una vuelta antes que el satélite más alejado(S2). Calculo de T1:

T1 =

2πR 1 v1

la velocidad se calcula como

G·M T   R 1  : v1 = 7061'03 m s R 1 = 8000 km  v1 =

sustituyendo en el periodo

T1 = 7118'7 s Después de 6 vueltas, el tiempo transcurrido será: t1 = nº de vueltas × T1’ = 42712’3 seg. Mediante la relación entre los periodos se obtiene el periodo de S2: T2 = 9126’54 seg En el tiempo que S1 ha recorrido 6 vueltas, el S2: T ' Nº vueltas = 1 = 4'68 T2 la posición de S2 respecto de S1 se obtiene expresando la parte decimal del cociente en forma sexagesimal 0’68 × 360 = 244º 48’

Autora: Beatriz San Juan Garrido Lda. Ciencias Físicas. Dpto. Física Teórica U.A.M.

Problema 2. Un solenoide de 200 vueltas y de sección circular de diámetro 8 cm está situado en un campo magnético uniforme de valor 0’5 T cuya dirección forma un ángulo de 60º con el eje del solenoide. Si en un tiempo de 100 ms disminuye el valor del campo magnético uniformemente a cero, determine: a. El flujo magnético que atraviesa inicialmente el solenoide. b. La fuerza electromotriz inducida en dicho solenoide. Solución a.

El flujo magnético inicial que atraviesa el solenoide es: Φ = B o S = B ⋅ S ⋅ cos α = B ⋅ S·cos α donde Si el d = 8cm

r = 4cm

B = 0'5T r = 4·10 m

α = 60º

S = πR 2

-2

(

S = π 4·10 −2 sustituyendo en la expresión del flujo

)

2

S = 5'03·10-3 m 2

( )

Φ i = 0'5(T ) ⋅ 5'03 × 10 −3 m 2 ·cos 60º = 1'25 × 10 −3 (w ) b. Si el campo disminuye uniformemente de 0’5 T a 0 T, en un tiempo de 100·10−3 seg la derivada se puede transformar en incrementos: dΦ ∆Φ ε = −N = −N dt ∆t sustituyendo los datos

E = −N

(Φ f

− Φi )

1× 10 −1 seg

E = −200

(0 − 1'26×10 )

la f.e.m inducida es: E = 2,52 V

Autora: Beatriz San Juan Garrido Lda. Ciencias Físicas. Dpto. Física Teórica U.A.M.

−3

0'1

REPERTORIO B Problema 1. Un objeto luminoso de 3 cm de altura está situado a 20 cm de una lente divergente de potencia −10 dioptrías. Determine: a. La distancia focal de la lente. b. La posición de la imagen. c. La naturaleza y el tamaño de la imagen. d. La construcción geométrica de la imagen. Solución. a.

Distancia focal. Si P = −10 dioptrías y sabiendo que: 1 −1 f'= f'= m f ' = −0'1m p 10

Cálculo de S’. La ecuación constructora de la lente es : 1 1 1 − = S' S f ' despejamos S’ y, sabiendo que S = −20 cm y f ’ = −10 cm 1 1 1 1 1 1 1 −3 = + = + = S' f ' S S' − 10 − 20 S' 20

f ' = −10 cm

b.

S' =

−20 cm = −6'67cm 3

c. Una lente divergente genera siempre imágenes virtuales y de menor tamaño que el objeto. Dichas imágenes son siempre DIRECTAS. El tamaño se halla mediante la ecuación de la lente: y' S' = y S despejando y’ − 20 S' 3 = 1 cm y '= y⋅ y ' = 3⋅ S − 20 d.

Autora: Beatriz San Juan Garrido Lda. Ciencias Físicas. Dpto. Física Teórica U.A.M.

Problema 2. Tres cargas positivas e iguales de valor q = 2 µC cada una se encuentran situadas en tres de los vértices de un cuadrado de lado 10 cm. Determine: a. El campo eléctrico en el centro del cuadrado, efectuando un esquema gráfico en su explicación. b. Los potenciales en los puntos medios de los lados del cuadrado que unen las cargas y el trabajo realizado al desplazarse la unidad de carga entre dichos puntos. Datos: Constante de la ley de Coulomb en el vacío K = 9×109 Nm2C2 Solución. a.

Como se observa en la figura, el campo resultante en el centro del cuadrado es el generado por la carga A (E A ) ya que por simetría los campos generados por las carga B y C se anulan entre si. La distancia de cualquier vértice al centro del cuadrado se calcula por teorema de Pitágoras

r = 0'05 2 + 0'05 2 = 0'05 2 m Los módulos de los campos creados por B y por C son iguales ya que están creados por la misma carga y están a igual distancia del centro.

E B = k·

Q r

2

= 9 × 10 9 ·

2 × 10 −6

(0'05 ⋅ 2 )

2

N = EC C

= 3'6 × 10 6

Los vectores de campo generados por las cargas B y C (E B , E C ) tienen igual módulo, dirección y sentido contrario, por lo que se anulan. El campo resultante es por tanto el generado por la carga A. Módulo:

E A = k·

Q 2

= 9 × 10 9 ·

(

2 × 10 −6

)

2

= 3'6 × 10 6

N C

0'05 ⋅ 2 El ángulo que forma el con la horizontal es: 0'05 tg α = tg α = 1 α = 45º 0'05 Proyecciones del vector campo sobre los ejes coordenados: E A x = E A ·cos α E A y = E A senα r

el campo resultante es:

E T (0'05, 0'05) = 1'8 2 × 10 6 i + 1'8 2 × 10 6 j

Autora: Beatriz San Juan Garrido Lda. Ciencias Físicas. Dpto. Física Teórica U.A.M.

b.

El potencial en los puntos medios:

Q Q Q + k = 2k = 7'2 × 10 5 V r r r Q Q Q VAB = k· + k = 2k = 7'2 × 10 5 V r r r los potenciales son los mismos yq que están creados por la mismas carga y a igual distancia. Por tanto : W = q·(Vi − Vf ) = 0 ya que ambos puntos tienen el mismo potencial VCA = k·

Autora: Beatriz San Juan Garrido Lda. Ciencias Físicas. Dpto. Física Teórica U.A.M.