Materia, energía, campos y fuerzas
Construye un vocabulario físico para lo que existe, lo que cambia y lo que transporta influencia.
Pasa de las partículas y los átomos a la contabilidad de la energía y a los campos, y prepárate para el electromagnetismo, la física nuclear y las ideas sobre los campos del vacío.
Antes de empezar
- • Curso 1: Medición, incertidumbre y evidencia
- • Aritmética básica
Al terminar, podrás
- • Describir la materia con átomos, carga y masa.
- • Seguir las transferencias de energía sin tratar la energía como una sustancia material.
- • Usar un modelo de campo para explicar fuerzas que actúan a distancia.
- • Aplicar la contabilidad de la conservación a la afirmación de un dispositivo desconocido.
Modelo interactivo
Explora antes de calcular
Lección 1 de 3
Átomos, masa y carga
¿Qué ingredientes comunes explican la enorme variedad de la materia ordinaria?
La materia ordinaria está hecha de átomos. Sus núcleos contienen protones y neutrones, mientras que los electrones ocupan estados cuánticos alrededor del núcleo.
La masa y la carga eléctrica son propiedades distintas. Las fuerzas eléctricas pueden atraer o repeler; la gravedad entre objetos de un aula es muchísimo más débil, pero siempre atractiva en situaciones ordinarias.
Ejemplo resuelto
Un átomo neutro pierde un electrón. ¿Qué cambia?
- 1. El número de protones positivos sigue igual.
- 2. Se retira un electrón negativo.
- 3. Las cargas ya no se cancelan.
El átomo se convierte en un ion con carga positiva; su identidad sigue fijada por su número de protones.
Pruébalo
Investigación de la carga estática
Materiales: Un globo o un peine de plástico y trocitos de papel.
- 1. Acerca el objeto sin cargar al papel.
- 2. Frótalo contra pelo seco o contra tela.
- 3. Repite a varias distancias.
- 4. Registra qué cambia y evita nombrar una causa hasta después de observar.
Fíjate: La separación de cargas crea una fuerza que depende de la distancia y que puede mover papel neutro por polarización.
Comprueba lo que entendiste: ¿Qué número de partículas determina de qué elemento químico es un átomo?
Respuesta: Su número de protones.
Cambiar los electrones produce un ion; cambiar los neutrones produce un isótopo; cambiar los protones cambia el elemento.
Lección 2 de 3
La energía es una regla contable
¿De dónde vino la capacidad de causar un cambio, y adónde se fue?
La energía es una cantidad conservada que sirve para comparar movimiento, posición, calor, cambio químico, radiación y masa. No es un fluido misterioso guardado en una sola forma.
Un dispositivo puede transformar energía y aun así desperdiciar mucha en forma de calor. Una afirmación completa declara cada entrada, la salida útil, el cambio almacenado y las pérdidas a lo largo de un ciclo completo.
Ejemplo resuelto
Un motor recibe 100 J de electricidad, entrega 65 J de movimiento y se calienta con 35 J.
- 1. Entrada: 100 J.
- 2. Salida mecánica útil: 65 J.
- 3. Salida térmica: 35 J.
- 4. Comprueba el balance: 65 + 35 = 100 J.
La contabilidad cuadra y la eficiencia útil es del 65%. No desapareció energía.
Pruébalo
Mapa de la cadena de energía
Materiales: Papel y un aparato familiar, como una linterna o un ventilador.
- 1. Dibuja la entrada de energía.
- 2. Dibuja cada salida útil.
- 3. Añade el calor, el sonido u otras pérdidas.
- 4. Marca cualquier cambio de energía almacenada.
Fíjate: Nombrar la cadena completa evita que una salida impresionante esconda una entrada mayor.
Comprueba lo que entendiste: ¿Puede una máquina ser útil aunque su eficiencia esté por debajo del 100%?
Respuesta: Sí.
La eficiencia compara la salida útil con la entrada; muchos aparatos valiosos transforman a propósito solo una parte de la entrada en la forma deseada.
Lección 3 de 3
Los campos llevan instrucciones locales
¿Cómo puede un objeto responder a algo que no lo está tocando?
Un campo asigna un valor a cada punto del espacio y del tiempo. Una partícula cargada responde al campo electromagnético en su propia posición; una masa sigue la geometría gravitatoria local.
Los diagramas de campo son mapas, no cuerdas invisibles. Sus flechas o sus curvas de nivel resumen lo que experimentaría un objeto de prueba adecuado.
Ejemplo resuelto
¿Por qué las flechas del campo alrededor de una carga positiva apuntan hacia fuera?
- 1. Define la dirección usando una pequeña carga de prueba positiva.
- 2. Las cargas iguales se repelen.
- 3. La carga de prueba se aceleraría alejándose de la fuente.
Las flechas hacia fuera codifican la dirección de la fuerza sobre una carga de prueba positiva.
Pruébalo
Traza el mapa de un campo magnético
Materiales: Un imán de barra, papel y una brújula si la tienes.
- 1. Coloca el imán debajo del papel.
- 2. Toma la dirección de la brújula en los puntos de una cuadrícula.
- 3. Dibuja flechas pequeñas en cada punto.
- 4. Une el patrón sin dar a entender que hay líneas materiales.
Fíjate: Las direcciones locales forman un mapa coherente aunque la brújula solo mida un punto cada vez.
Comprueba lo que entendiste: ¿Qué significa la flecha de un campo eléctrico?
Respuesta: La dirección en la que sería empujada una pequeña carga de prueba positiva en ese lugar.
Es una definición operativa local, no la afirmación de que exista una flecha visible en el espacio.
Sigue hacia la evidencia
Próxima lectura, con sus fuentes
Capítulo 3: El campo de punto cero, la inercia y la gravedad
Una aplicación avanzada del pensamiento de campos, etiquetada con claridad según su estado de evidencia.
Clase 3: La relatividad general
Cómo se conectan la masa-energía y la geometría en la teoría establecida.
Espina dorsal disciplinaria
Un mapa que va desde la física establecida hasta las afirmaciones abiertas de la ingeniería.