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IGCSE Física

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La Física IGCSE (0625) tiene seis temas: movimiento, fuerzas y energía; física térmica; ondas; electricidad y magnetismo; física nuclear; física espacial.

Verifica tu nivel primero. Existen exámenes para seis componentes, y cuáles rindes depende de si estás matriculado en Básico o Ampliado. El contenido exclusivo del Ampliado es una parte importante del programa y representa un estudio inútil si estás en Básico.

Los errores más comunes son los que resultan más baratos de corregir: unidades faltantes, el número incorrecto de cifras significativas y respuestas que proporcionan un número sin la fórmula que lo generó. Las definiciones se evalúan según el texto exacto — apréndelas tal como están escritas, no como las recuerdas.

  • 1

    Movimiento, fuerzas y energía

    Ver lección
    1.1

    Measurement 测量

    Syllabus
    Fundamental Complementario
    1 Describir el uso de reglas y cilindros graduados para determinar una longitud o un volumen
    2 Describir cómo medir diversos intervalos de tiempo utilizando relojes y cronómetros digitales
    3 Determinar un valor medio para una distancia pequeña y para un intervalo breve de tiempo mediante la medición de múltiplos (incluyendo el periodo de oscilación de un péndulo)
    4 Comprender que una magnitud escalar posee solo magnitud (tamaño), mientras que una magnitud vectorial posee magnitud y dirección
    5 Saber que las siguientes magnitudes son escalares: distancia, rapidez, tiempo, masa, energía y temperatura
    6 Saber que las siguientes magnitudes son vectores: fuerza, peso, velocidad, aceleración, cantidad de movimiento, intensidad del campo eléctrico e intensidad del campo gravitatorio
    7 Determinar, por cálculo o gráficamente, la resultante de dos vectores perpendiculares, limitándose a fuerzas o velocidades únicamente

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Resolving a vector into components

    Length and volume

    Use una regla 直尺 para medir la longitud. Lea la escala con el ojo directamente frente a la marca para evitar un error de lectura.

    Bajar un sólido irregular en un cilindro graduado; el aumento en el nivel del agua es su volumen
    El agua desplazada por un sólido irregular indica su volumen
    Leer un cilindro graduado en la parte inferior del menisco, a la altura del ojo con la marca
    Leer un cilindro graduado en la parte inferior del menisco, con el ojo a la altura

    Use un cilindro graduado 量筒 para medir el volumen de un líquido. Lea la escala en la parte inferior de la superficie curva (el menisco 弯月面), con el ojo a la misma altura.

    Measuring time

    Utilice un cronómetro 秒表 o un temporizador digital 数字计时器 para medir un intervalo de tiempo. Un reloj es adecuado para tiempos largos (minutos u horas). El cronómetro se inicia y detiene manualmente, por lo que cada lectura tiene un error de tiempo de reacción 反应时间 de aproximadamente 0.2 s. Para reducir la influencia de este error, mida un intervalo largo o mida varias repeticiones y divida (ver más abajo).

    Measuring small amounts

    Medir una sola pequeña longitud o un corto tiempo es difícil de hacer bien. El truco es medir muchos y dividir 测多个再相除:

    • Para encontrar el grosor de una página, mide 100 páginas y divide por 100.
    • Para encontrar el tiempo de un oscilamiento completo de un péndulo 摆, mida el tiempo para 20 oscilamientos y divida por 20. Un oscilamiento completo se llama período 周期.

    Esto reduce mucho la incertidumbre 不确定度 (el tamaño del error).

    Escalar y vector

    Una cantidad escalar 标量 tiene tamaño (magnitud 大小) solamente. Una cantidad vectorial 矢量 tiene tamaño y dirección.

    • Scalars: distance, speed, time, mass 质量, energy 能量, temperature 温度.
    • Vectores: fuerza 力, peso 重力, velocidad 速度, aceleración 加速度, momento 动量, intensidad de campo eléctrico 电场强度, intensidad de campo gravitatorio 重力场强度.

    Para sumar dos vectores en ángulo recto (90°), dibújalos como dos lados de un rectángulo. La resultante 合矢量 es la diagonal. Encuentra su tamaño con Pitágoras y su dirección con trigonometría.

    $$R = \sqrt{a^2 + b^2}$$
    Dos vectores perpendiculares dibujados como lados de un rectángulo, con el resultante como la diagonal
    Dos vectores en ángulo recto suman a una resultante $R$, la diagonal del rectángulo
    Explorar

    Escalares y vectores

    resultante = a + b

    Agregue dos vectores punta con cola para encontrar la resultante.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    mass/mæs/ 质量 zhì liàng
    energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
    temperature/ˈtemprɪtʃə/ 温度 wēn dù
    resultant/rɪˈzʌltənt/ 合矢量 hé shǐ liàng
    moment/ˈməʊmənt/ 力矩 lì jǔ
    1.2

    Movimiento 运动

    Syllabus
    Núcleo Complementario
    1 Definir la velocidad como distancia recorrida por unidad de tiempo; recordar y utilizar la ecuación
    $$v = \frac{s}{t}$$
    2 Definir la velocidad (vectorial) como velocidad en una dirección dada
    3 Recordar y utilizar la ecuación
    $$\text{velocidad media} = \frac{\text{distancia total recorrida}}{\text{tiempo total transcurrido}}$$
    9 Definir la aceleración como cambio de velocidad por unidad de tiempo; recordar y utilizar la ecuación
    $$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$
    4 Dibujar, representar e interpretar gráficas de posición–tiempo y de velocidad–tiempo
    5 Determinar cualitativamente, a partir de datos dados o de la forma de una gráfica de posición–tiempo o de velocidad–tiempo, cuándo un objeto está: (a) en reposo (b) moviéndose con velocidad constante (c) acelerando (d) desacelerando 10 Determinar a partir de datos dados o de la forma de una gráfica de velocidad–tiempo cuándo un objeto se mueve con: (a) aceleración constante (b) aceleración variable
    6 Calcular la velocidad a partir de la pendiente de un tramo rectilíneo de una gráfica de posición–tiempo 11 Calcular la aceleración a partir de la pendiente de una gráfica de velocidad–tiempo
    7 Calcular el área bajo una gráfica de velocidad–tiempo para determinar la distancia recorrida en movimientos con velocidad constante o aceleración constante
    12 Saber que la desaceleración es una aceleración negativa y usar esto en cálculos
    8 Indicar que la aceleración de caída libre $g$ para un objeto cerca de la superficie de la Tierra es aproximadamente constante y tiene un valor aproximado de $9.8\text{ m/s}^2$ 13 Describir el movimiento de objetos que caen en un campo gravitatorio uniforme con y sin resistencia del aire/líquido, incluyendo referencias a la velocidad terminal

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Speed and velocity

    Velocidad 速率 is the distance travelled per unit time.

    $$v = \frac{s}{t}$$

    La velocidad es rapidez en una dirección indicada. Por lo tanto, la velocidad es un vector pero la rapidez es un escalar.

    $$\text{average speed} = \frac{\text{total distance}}{\text{total time}}$$

    Aceleración

    La aceleración es el cambio en la velocidad por unidad de tiempo.

    $$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$

    Aquí $\Delta v$ significa "el cambio en la velocidad". Una desaceleración 减速 (ralentización) es una aceleración negativa.

    Ejemplo resuelto. Un coche acelera de $8\ \text{m/s}$ a $20\ \text{m/s}$ en $4.0\ \text{s}$. Encuentra su aceleración.

    $$a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{20 - 8}{4.0} = 3.0\ \text{m/s}^2$$

    Gráficas de movimiento

    Un gráfico distancia-tiempo 距离-时间图 muestra cuánto ha recorrido un objeto:

    • Una línea plana (horizontal) significa que el objeto está en reposo 静止.
    • Una pendiente recta significa velocidad constante. La pendiente 斜率 (empinamiento) es la velocidad.
    • Una curva que se empina significa que el objeto está acelerando.
    Tres líneas de distancia-tiempo: una línea plana, una pendiente recta y una curva que se empina
    La forma de una línea de distancia-tiempo: plana es reposo, una pendiente recta es velocidad constante, una curva ascendente es aceleración

    Un gráfico velocidad-tiempo 速度-时间图 muestra qué tan rápido va un objeto:

    • A flat line means constant speed.
    • Una pendiente recta significa aceleración constante. La pendiente es la aceleración.
    • El área bajo la línea 线下 área es la distancia recorrida.
    Un gráfico velocidad-tiempo con una línea inclinada cuya pendiente es la aceleración y cuyo área sombreada es la distancia
    En un gráfico velocidad-tiempo, la pendiente es la aceleración y el área bajo la línea es la distancia recorrida

    Falling objects

    Cerca de la Tierra, el campo gravitatorio es uniforme 均匀 (la misma fuerza en todas partes), por lo que todos los objetos aumentan su velocidad al caer a la misma tasa. Esta es la aceleración de caída libre 自由落体加速度, $g \approx 9.8\ \text{m/s}^2$.

    Cuando un objeto cae a través del aire, la resistencia del aire 空气阻力 (una fuerza de arrastre) actúa hacia arriba. A medida que aumenta su velocidad, la resistencia del aire crece. Cuando la resistencia del aire iguala al peso, la fuerza resultante es cero y el objeto deja de acelerar. Luego cae a una velocidad terminal 收尾速度 constante.

    Un objeto cayendo con flechas de peso y resistencia del aire, mostrado justo después de soltarlo y en velocidad terminal
    Al principio, el peso es mayor que la resistencia del aire, por lo que el objeto acelera; a la velocidad terminal, ambos son iguales y la velocidad es constante
    Explorar

    Gráfico velocidad-tiempo

    Cambie u y a. La pendiente es la aceleración; el área bajo la línea es la distancia recorrida.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    velocity/vəˈlɒsɪti/ 速度 sù dù
    acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ 加速度 jiā sù dù
    motion/ˈməʊʃn/ 运动 yùn dòng
    speed/spiːd/ 速率 sù lǜ
    deceleration/dɪˌseləˈreɪʃn/ 减速 jiǎn sù
    distance–time graph/ˈdɪstəns taɪm ɡræf/ 距离-时间图 jù lí - shí jiān tú
    at rest/æt rest/ 静止 jìng zhǐ
    gradient/ˈɡreɪdɪənt/ 斜率 xié lǜ
    speed–time graph/spiːd taɪm ɡræf/ 速度-时间图 sù dù - shí jiān tú
    area under the line/ˈeərɪə ˈʌndə ðə laɪn/ 线下面积 xiàn xià miàn jī
    uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ 均匀 jūn yún
    acceleration of free fall/əkˌseləˈreɪʃn ɒv friː fɔːl/ 自由落体加速度 zì yóu luò tǐ jiā sù dù
    air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ 空气阻力 kōng qì zǔ lì
    terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ 收尾速度 shōu wěi sù dù
    matter/ˈmætə/ 物质 wù zhì
    1.3

    Masa y peso

    Syllabus
    Core Supplemento
    1 Indicar que la masa es una medida de la cantidad de materia en un objeto en reposo respecto al observador
    2 Indicar que el peso es una fuerza gravitatoria sobre un objeto que tiene masa 5 Describir, y utilizar el concepto de, el peso como el efecto de un campo gravitatorio sobre una masa
    3 Definir la intensidad del campo gravitatorio como fuerza por unidad de masa; recordar y utilizar la ecuación
    $$g = \frac{W}{m}$$
    y conocer que es equivalente a la aceleración de caída libre
    4 Saber que los pesos (y las masas) pueden compararse mediante una balanza

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Masa es la cantidad de materia 物质 en un objeto. Se mide en kilogramos (kg) y no cambia cuando mueves el objeto.

    Peso es la fuerza de gravedad sobre una masa. Se mide en newtons (N). El peso puede cambiar: es menor en la Luna porque la gravedad lunar es más débil.

    La intensidad de campo gravitatorio es la fuerza por unidad de masa:

    $$g = \frac{W}{m}$$

    Este $g$ tiene el mismo valor que la aceleración de caída libre ($\approx 9.8\ \text{N/kg}$). Puedes comparar masas con una balanza 天平.

    Una balanza de laboratorio mide la masa; el peso es la fuerza gravitatoria sobre esa masa
    Una balanza de laboratorio mide la masa; el peso es la fuerza gravitatoria sobre esa masa
    Explorar

    Peso y masa

    W = mg

    El peso es proporcional a la masa — la pendiente es la intensidad del campo gravitatorio g (aproximadamente 10 N/kg en la Tierra).

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    balance/ˈbæləns/ 天平 tiān píng
    1.4

    Densidad 密度

    Syllabus
    Núcleo Suplemento
    1 Definir la densidad como masa por unidad de volumen; recordar y utilizar la ecuación
    $$\rho = \frac{m}{V}$$
    2 Describir cómo determinar la densidad de un líquido, de un sólido con forma regular y de un sólido con forma irregular que se hunde en un líquido (volumen por desplazamiento), incluyendo los cálculos correspondientes
    3 Determinar si un objeto flota basándose en datos de densidad 4 Determinar si un líquido flotará sobre otro líquido basándose en datos de densidad dados, siempre que los líquidos no se mezclen

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Densidad is the mass per unit volume.

    $$\rho = \frac{m}{V}$$

    El símbolo $\rho$ es la letra griega "rho". La unidad es $\text{kg/m}^3$ o $\text{g/cm}^3$.

    Para encontrar la densidad: mide la masa con una balanza, encuentra el volumen, luego divide.

    • Sólido regular 规则固体 (como una caja): mide los lados y calcula el volumen.
    • Sólido irregular 不规则固体 (una forma extraña): sumérjalo en agua dentro de un cilindro graduado. El aumento en el nivel del agua es su volumen. Este es el método de desplazamiento 排水法.
    • Líquido: coloque un cilindro graduado vacío en la balanza y lea su masa. Vierta el líquido, lea el volumen en el cilindro y lea la masa nuevamente. La masa del líquido es la diferencia entre las dos lecturas de masa.

    Un objeto flota 漂浮 si su densidad es menor que la densidad del líquido. Se hunde si su densidad es mayor. De la misma manera, un líquido flota sobre otro (si los dos no se mezclan) cuando su densidad es menor: el aceite flota sobre el agua.

    Ejemplo resuelto. Una piedra de masa $54\ \text{g}$ se baja en un cilindro graduado. El nivel del agua sube de $20\ \text{cm}^3$ a $40\ \text{cm}^3$. Encuentre la densidad de la piedra.

    El volumen de la piedra es el aumento en el nivel del agua, $40 - 20 = 20\ \text{cm}^3$, por lo tanto,

    $$\rho = \frac{m}{V} = \frac{54}{20} = 2.7\ \text{g/cm}^3$$
    Un iceberg flota con la mayor parte de su volumen oculto: el hielo es ligeramente menos denso que el agua
    Un iceberg flota con la mayor parte de su volumen oculto: el hielo es ligeramente menos denso que el agua
    Explorar

    Flotación y densidad

    Cambie la densidad del objeto y el líquido: flota si es menos denso, y cuanto más denso es, más se hunde bajo el agua. El hierro se hunde en agua pero flota sobre mercurio.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    density/ˈdensɪti/ 密度 mì dù
    regular solid/ˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ 规则固体 guī zé gù tǐ
    irregular solid/ɪˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ 不规则固体 bù guī zé gù tǐ
    displacement method/dɪˈspleɪsmənt ˈmeθəd/ 排水法 pái shuǐ fǎ
    floats/fləʊts/ 漂浮 piāo fú
    shape/ʃeɪp/ 形状 xíng zhuàng
    extension/ekˈstenʃn/ 伸长量 shēn cháng liàng
    load–extension graph/ləʊd ekˈstenʃn ɡræf/ 载荷-伸长图 zài hè - shēn cháng tú
    limit of proportionality/ˈlɪmɪt ɒv prəˌpɔːʃəˈnælɪti/ 比例极限 bǐ lì jí xiàn
    spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ 弹簧常数 tán huáng cháng shù
    1.5

    Fuerzas

    Syllabus

    1.5.1 Efectos de las fuerzas

    Básico Complementario
    1 Saber que las fuerzas pueden producir cambios en el tamaño y la forma de un objeto 9 Definir la constante del resorte como fuerza por unidad de elongación; recordar y utilizar la ecuación
    $$k = \frac{F}{x}$$
    2 Dibujar, graficar e interpretar gráficos de carga–elongación para un sólido elástico y describir los procedimientos experimentales asociados 10 Definir y utilizar el término ‘límite de proporcionalidad’ para un gráfico de carga–elongación e identificar este punto en el gráfico (no se requiere comprensión del límite elástico)
    3 Determinar la resultante de dos o más fuerzas que actúan a lo largo de la misma línea recta 11 Recordar y utilizar la ecuación $F = ma$ y saber que la fuerza y la aceleración están en la misma dirección
    4 Saber que un objeto permanece en reposo o continúa en línea recta a velocidad constante a menos que actúe sobre él una fuerza resultante
    5 Establecer que una fuerza resultante puede cambiar la velocidad de un objeto modificando su dirección de movimiento o su rapidez 12 Describir, cualitativamente, el movimiento en una trayectoria circular debido a una fuerza perpendicular al movimiento como: (a) la rapidez aumenta si la fuerza aumenta, con masa y radio constantes (b) el radio disminuye si la fuerza aumenta, con masa y rapidez constantes (c) una mayor masa requiere una mayor fuerza para mantener constante la rapidez y el radio ($F = \frac{mv^2}{r}$ no es requerido)
    6 Describir la fricción sólida como la fuerza entre dos superficies que puede impedir el movimiento y producir calentamiento
    7 Saber que la fricción (arrastre) actúa sobre un objeto que se mueve a través de un líquido
    8 Saber que la fricción (arrastre) actúa sobre un objeto que se mueve a través de un gas (por ejemplo, resistencia del aire)

    1.5.2 Efecto giratorio de las fuerzas

    Básico Complementario
    1 Describir el momento de una fuerza como una medida de su efecto giratorio y dar ejemplos cotidianos
    2 Definir el momento de una fuerza como $\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$; recordar y utilizar esta ecuación
    3 Aplicar el principio de los momentos a situaciones con una fuerza a cada lado del pivote, incluido el equilibrio de una viga 5 Aplicar el principio de los momentos a otras situaciones, incluidas aquellas con más de una fuerza a cada lado del pivote
    4 Establecer que, cuando no hay fuerza resultante ni momento resultante, un objeto está en equilibrio 6 Describir un experimento para demostrar que no hay momento resultante sobre un objeto en equilibrio

    1.5.3 Centro de gravedad

    Básico Complementario
    1 Establecer qué se entiende por centro de gravedad
    2 Describir un experimento para determinar la posición del centro de gravedad de una lámina plana de forma irregular
    3 Describir, cualitativamente, el efecto de la posición del centro de gravedad sobre la estabilidad de objetos simples

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    El principio de los momentos
    La ley de Hooke y el límite elástico

    Una fuerza es un empuje o un tirón. Una fuerza puede cambiar la forma 形状, la velocidad o la dirección de un objeto.

    Stretching (Hooke's law)

    Cuando cuelgas una carga de un resorte, se estira. La estirada se llama extensión 伸长量.

    En un gráfico carga-extensión 载荷-伸长图 la línea es recta al principio: la extensión es proporcional a la carga. El punto donde la línea deja de ser recto es el límite de proporcionalidad 比例极限.

    Un gráfico carga-extensión: una línea recta que pasa por el origen que se curva más allá de un punto marcado
    La carga es proporcional a la extensión hasta el límite de proporcionalidad, luego la línea se curva

    El experimento. Cuelgue el resorte de un soporte y coloque una regla junto a él. Lea la posición de la parte inferior del resorte sin carga: esta es la longitud original. Añada cargas una por una (por ejemplo, 1 N cada una) y registre la nueva longitud cada vez. La extensión es la nueva longitud menos la longitud original. Trace la carga en el eje y frente a la extensión en el eje x.

    La constante del resorte 弹簧常数 es la fuerza por unidad de extensión:

    $$k = \frac{F}{x}$$

    A large $k$ means a stiff spring.

    Resultant force and Newton's laws

    Suma las fuerzas en una línea recta para obtener la fuerza resultante 合力 (las fuerzas en una dirección son positivas, en la otra negativas).

    • Si la fuerza resultante es cero, el objeto permanece en reposo o sigue moviéndose en línea recta a velocidad constante. (Primera ley de Newton.)
    • Si la fuerza resultante no es cero, el objeto acelera en la dirección de la fuerza:
    $$F = ma$$
    Una caja en el suelo con cuatro flechas de fuerza etiquetadas: fuerza normal hacia arriba, peso hacia abajo, empuje a la derecha, fricción a la izquierda
    Un diagrama de cuerpo libre muestra todas las fuerzas que actúan sobre la caja como flechas etiquetadas

    Ejemplo resuelto. Un coche $1200\ \text{kg}$ tiene una fuerza motriz de $3000\ \text{N}$ y una resistencia al rozamiento de $600\ \text{N}$. Encuentre su aceleración.

    First find the resultant force: $3000 - 600 = 2400\ \text{N}$. Then

    $$a = \frac{F}{m} = \frac{2400}{1200} = 2.0\ \text{m/s}^2$$

    Movimiento circular

    Una fuerza resultante perpendicular al movimiento no cambia la velocidad. Cambia la dirección, por lo que el objeto se mueve en un círculo a velocidad constante. Esto es movimiento circular 圆周运动. La fuerza siempre apunta hacia el centro del círculo: la tensión de la cuerda sobre una bola giratoria, o la gravedad del Sol sobre un planeta.

    For an object moving in a circle:

    • se necesita una fuerza mayor para mantener la misma masa moviéndose a mayor velocidad en un círculo del mismo radio;
    • una fuerza mayor hace que la misma masa, a la misma velocidad, se mueva en un círculo más pequeño (un radio menor);
    • una masa mayor necesita una fuerza mayor para mantener la misma velocidad y el mismo radio.

    Fricción

    La fricción es la fuerza entre dos superficies que se tocan. Intenta detener el movimiento y hace que las cosas se calienten. La resistencia del fluido (fricción en un líquido o gas, como la resistencia del aire) también ralentiza los objetos.

    Moments — the turning effect

    El momento de una fuerza es su efecto de giro alrededor de un punto de apoyo.

    $$\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$$

    The unit is the newton metre (N m).

    Principio de momentos: cuando un objeto está equilibrado (en equilibrio),

    $$\text{total clockwise moment} = \text{total anticlockwise moment}$$

    Un objeto está en equilibrio cuando no hay fuerza resultante ni momento resultante.

    Una viga equilibrada sobre un punto de apoyo central con una fuerza y distancia en cada lado
    La viga se equilibra cuando el momento horario es igual al momento antihorario

    Ejemplo resuelto. Un peso de $30\ \text{N}$ está situado a $0.20\ \text{m}$ a la izquierda de un punto de apoyo. ¿A qué distancia a la derecha debe colocarse un peso de $20\ \text{N}$ para equilibrar la viga?

    Balanced, so anticlockwise moment $=$ clockwise moment:

    $$30 \times 0.20 = 20 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{6.0}{20} = 0.30\ \text{m}$$

    Comprobación del principio mediante experimento. Equilibre una regla métrica en su centro sobre un punto de apoyo. Cuelgue un peso conocido en cada lado y muévalos hasta que la regla se equilibre nuevamente. Mida cada distancia desde el punto de apoyo. Fuerza × distancia a la izquierda es igual a fuerza × distancia a la derecha, dentro de los pequeños errores de medición, por lo que no hay momento resultante en un objeto equilibrado.

    Centro de gravedad

    El centro de gravedad 重心 es el único punto donde parece actuar todo el peso de un objeto.

    Para una forma plana (lámina 薄片), cuélguela de un pasador y déjela asentarse; trace una línea vertical hacia abajo desde el pasador usando un hilo con plomada. Repita desde otro punto. El centro de gravedad está donde se cruzan las líneas.

    La estabilidad 稳定性 de un objeto depende de dónde esté su centro de gravedad. Un objeto es más estable 稳定 cuando su centro de gravedad está bajo y su base es ancha. Se vuelca cuando una línea vertical hacia abajo desde el centro de gravedad pasa fuera de la base.

    Explorar

    Fuerzas y leyes de Newton

    F = ma (resultante)

    La fuerza resultante determina la aceleración; fuerzas equilibradas ⇒ ninguna.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    force/fɔːs/ 力 lì
    weight/weɪt/ 重力 zhòng lì
    resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ 合力 hé lì
    circular motion/ˈsɜːkjʊlə ˈməʊʃn/ 圆周运动 yuán zhōu yùn dòng
    radius/ˈreɪdɪəs/ 半径 bàn jìng
    friction/ˈfrɪkʃn/ 摩擦力 mó cā lì
    pivot/ˈpɪvət/ 支点 zhī diǎn
    principle of moments/ˈprɪnsɪpl ɒv ˈməʊmənts/ 力矩原理 lì jǔ yuán lǐ
    equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 平衡 píng héng
    centre of gravity/ˈsentə ɒv ˈɡrævɪti/ 重心 zhòng xīn
    lamina/ˈlæmɪnə/ 薄片 báo piàn
    stability/stəˈbɪlɪti/ 稳定性 wěn dìng xìng
    stable/ˈsteɪbl/ 稳定 wěn dìng
    elastic (strain)/ɪˈlæstɪk/ 弹性势能 tán xìng shì néng
    1.6

    Momento lineal

    Syllabus
    Núcleo Complementario
    1 Definir el momento lineal como masa $\times$ velocidad; recordar y usar la ecuación $p = mv$
    2 Definir el impulso como fuerza $\times$ tiempo durante el cual actúa la fuerza; recordar y usar la ecuación $\text{impulse} = F\Delta t = \Delta(mv)$
    3 Aplicar el principio de conservación del momento lineal para resolver problemas simples en una dimensión
    4 Definir la fuerza resultante como el cambio en el momento lineal por unidad de tiempo; recordar y usar la ecuación $F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Conservación del momento en una colisión

    Momento is mass times velocity. It is a vector.

    $$p = mv$$

    Impulso 冲量 es la fuerza multiplicada por el tiempo durante el cual actúa, y es igual al cambio en el momento lineal:

    $$\text{impulse} = F\,\Delta t = \Delta(mv)$$

    Por lo tanto, la fuerza resultante es el cambio en el momento lineal por unidad de tiempo:

    $$F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$$

    Conservación del momento lineal: cuando los objetos chocan y no actúa ninguna fuerza exterior, el momento total antes del choque es igual al momento total después del choque.

    $$m_1 u_1 + m_2 u_2 = m_1 v_1 + m_2 v_2$$

    (Aquí $u$ es una velocidad inicial y $v$ es una velocidad final.)

    Ejemplo resuelto. Un carrito $2.0\ \text{kg}$ que se mueve a $3.0\ \text{m/s}$ choca contra un carrito estacionario $1.0\ \text{kg}$ y se quedan unidos. Encuentre su velocidad común después del choque.

    Total momentum is conserved, so

    $$(2.0 \times 3.0) + (1.0 \times 0) = (2.0 + 1.0)\,v \quad\Rightarrow\quad v = \frac{6.0}{3.0} = 2.0\ \text{m/s}$$
    Explorar

    Momento en una colisión

    Establezca las masas y velocidades y colisione. El momento total se conserva.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    momentum/məʊˈmentəm/ 动量 dòng liàng
    electric field strength/ɪˈlektrɪk fiːld streŋθ/ 电场强度 diàn chǎng qiáng dù
    gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ 重力场强度 zhòng lì chǎng qiáng dù
    impulse/ˈɪmpʌls/ 冲量 chōng liàng
    conservation of momentum/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv məʊˈmentəm/ 动量守恒 dòng liàng shǒu héng
    stored/stɔːd/ 储存 chǔ cún
    1.7

    Energía, trabajo y potencia

    Syllabus

    1.7.1 Energía

    Básico Complementario
    1 Indicar que la energía puede almacenarse como cinética, potencial gravitatoria, química, elástica (de deformación), nuclear, electrostática e interna (térmica)
    2 Describir cómo se transfiere la energía entre almacenes durante eventos y procesos, incluyendo ejemplos de transferencia por fuerzas (trabajo mecánico realizado), corrientes eléctricas (trabajo eléctrico realizado), calentamiento, y por ondas electromagnéticas, sonoras y otras ondas
    4 Recordar y utilizar la ecuación para la energía cinética $E_k = \frac{1}{2}mv^2$
    5 Recordar y utilizar la ecuación para el cambio en la energía potencial gravitatoria $\Delta E_p = mg\Delta h$
    3 Conocer el principio de la conservación de la energía y aplicar este principio a ejemplos simples, incluida la interpretación de diagramas de flujo simples 6 Conocer el principio de la conservación de la energía y aplicarlo a ejemplos complejos que implican múltiples etapas, incluida la interpretación de diagramas de Sankey

    1.7.2 Trabajo

    Básico Complementario
    1 Comprender que el trabajo mecánico o eléctrico realizado es igual a la energía transferida
    2 Recordar y utilizar la ecuación para el trabajo mecánico $W = Fd = \Delta E$

    1.7.3 Fuentes de energía

    Básico Complementario
    1 Describir cómo puede obtenerse energía útil o generarse potencia eléctrica a partir de: (a) energía química almacenada en combustibles fósiles (b) energía química almacenada en biocombustibles (c) agua, incluida la energía almacenada en las olas, en las mareas y en el agua detrás de presas hidroeléctricas (d) recursos geotérmicos (e) combustible nuclear (f) luz del Sol para generar potencia eléctrica (células solares) (g) radiación infrarroja y otras ondas electromagnéticas del Sol para calentar agua (paneles solares) y ser la fuente de energía eólica, incluidas referencias a una caldera, turbina y generador donde se utilizan 4 Saber que la radiación del Sol es la principal fuente de energía para todas nuestras fuentes de energía, excepto la geotérmica, la nuclear y la maremotriz
    2 Describir las ventajas y desventajas de cada método en términos de renovabilidad, disponibilidad, fiabilidad, escala e impacto ambiental 5 Saber que la energía se libera mediante fusión nuclear en el Sol
    6 Saber que se están llevando a cabo investigaciones para investigar cómo puede utilizarse la energía liberada por la fusión nuclear para producir energía eléctrica a gran escala
    3 Comprender, cualitativamente, el concepto de eficiencia de la transferencia de energía 7 Definir la eficiencia como: (a) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful energy output)}}{\text{(total energy input)}} (\times 100\%)$ (b) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful power output)}}{\text{(total power input)}} (\times 100\%)$ recordar y utilizar estas ecuaciones

    1.7.4 Potencia

    Básico Complementario
    1 Definir la potencia como trabajo realizado por unidad de tiempo y también como energía transferida por unidad de tiempo; recordar y utilizar las ecuaciones (a) $P = \frac{W}{t}$ (b) $P = \frac{\Delta E}{t}$

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Energy stores

    La energía puede estar almacenada de diferentes formas: cinética, potencial gravitatoria, química, elástica (de deformación), nuclear, electrostática e interna (térmica).

    La energía se transfiere entre almacenes mediante fuerzas (trabajo mecánico), corrientes eléctricas, calor y ondas (como la luz y el sonido).

    Una fila de aerogeneradores blancos altos situados en el mar bajo un cielo azul
    Los aerogeneradores transfieren energía desde el almacén cinético del aire en movimiento hacia la electricidad

    Energía cinética y potencial

    La energía cinética es la energía de un objeto en movimiento:

    $$E_k = \frac{1}{2}mv^2$$

    El cambio en la energía potencial gravitatoria cuando un objeto sube o baja una altura $\Delta h$:

    $$\Delta E_p = mg\,\Delta h$$

    Conservación de la energía

    El principio de conservación de la energía 能量守恒定律 dice que la energía nunca se crea ni se destruye; solo se transfiere entre almacenes. Un objeto que cae convierte energía potencial gravitatoria en energía cinética. Un diagrama de Sankey 桑基图 muestra cómo la energía de entrada se divide en energía útil y energía desperdiciada 浪费.

    Un péndulo mostrado en sus dos puntos más altos y en su punto más bajo, con la altura del balanceo marcada
    La energía se mueve entre energía potencial gravitatoria (en los puntos más altos) y energía cinética (en el punto más bajo)
    Vagones de montaña rusa bajando por una pista curva, con una gran colina detrás
    En una montaña rusa, la energía potencial gravitatoria almacenada en la cima de la colina se convierte en energía cinética a medida que los vagones bajan a gran velocidad

    Ejemplo resuelto. Una bola $0.50\ \text{kg}$ se deja caer desde una altura de $1.8\ \text{m}$. Ignorando la resistencia del aire, encuentre su velocidad justo antes de tocar el suelo. (Tome $g = 10\ \text{m/s}^2$.)

    Toda la energía potencial gravitatoria se convierte en energía cinética, por lo que $\tfrac{1}{2}mv^2 = mg\,\Delta h$. La masa se cancela, dejando $v^2 = 2g\,\Delta h$:

    $$v = \sqrt{2 \times 10 \times 1.8} = \sqrt{36} = 6.0\ \text{m/s}$$

    Debido a que la masa se cancela, cualquier objeto soltado desde esta altura aterrizaría a la misma velocidad.

    Trabajo

    El trabajo realizado es igual a la energía transferida. Cuando una fuerza mueve un objeto:

    $$W = Fd = \Delta E$$

    La unidad de trabajo y energía es el joule (J).

    Potencia

    La potencia es el trabajo realizado (o la energía transferida) por unidad de tiempo.

    $$P = \frac{W}{t} = \frac{\Delta E}{t}$$

    The unit is the watt 瓦特 (W). $1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$.

    Eficiencia

    La eficiencia indica cuánto de la energía de entrada se convierte en energía útil.

    $$\text{efficiency} = \frac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} \times 100\%$$

    La eficiencia es siempre menor del 100 % porque siempre se desperdicia algo de energía (generalmente en forma de calor). La misma idea se aplica a la potencia:

    $$\text{efficiency} = \frac{\text{useful power output}}{\text{total power input}} \times 100\%$$

    Ejemplo resuelto. Un motor recibe $200\ \text{J}$ de energía eléctrica y eleva una carga, proporcionándole $150\ \text{J}$ de energía potencial gravitatoria. Encuentre su eficiencia.

    $$\text{efficiency} = \frac{150}{200} \times 100\% = 75\%$$
    Un diagrama de Sankey con una banda de entrada ancha que se divide en una banda útil y una banda desperdiciada
    Un diagrama de Sankey para este motor: los anchos de banda son proporcionales a la energía, por lo que los 200 J de entrada se dividen en 150 J útiles y 50 J desperdiciados como calor

    Energy resources

    Generamos electricidad a partir de muchos recursos energéticos. La mayoría hacen girar una turbina que acciona un generador, a menudo hirviendo agua para producir vapor (combustibles fósiles, combustible nuclear, geotérmico, biocombustibles), o directamente moviendo agua o aire (hidroeléctrica, olas, mareas, viento). Las celdas solares generan electricidad a partir de la luz solar directamente; los paneles solares calientan agua.

    Resource Renewable? Notes
    combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas) no fiables, alta producción, pero emiten CO₂ y contaminan
    combustible nuclear no enorme producción, sin CO₂, pero genera residuos radiactivos
    biofuels yes roughly carbon-neutral if replanted
    hidroeléctrica sí fiable, pero una presa inunda tierras
    wind yes clean, but intermittent
    solar yes clean, but only in daylight
    geotérmica / mareomotriz sí fiable pero limitada a ciertos lugares

    Cuando compare recursos, use estas cinco ideas: renovabilidad 可再生性 (¿se agotará?), disponibilidad 可用性 (¿está siempre ahí? el viento puede cesar y el Sol se pone), confiabilidad 可靠性 (¿proporciona una salida constante?), escala 规模 (¿cuánta energía puede suministrar?) e impacto ambiental 环境影响 (contaminación, dióxido de carbono, tierra inundada por una presa).

    La mayoría de estos se remontan al Sol (los combustibles fósiles son antigua luz solar almacenada; el viento y las olas provienen del calentamiento solar) – las excepciones son la energía geotérmica, nuclear y mareomotriz. El propio Sol está impulsado por fusión nuclear 核聚vión, uniendo núcleos de hidrógeno en helio. Los científicos están investigando cómo utilizar la fusión en centrales eléctricas en la Tierra, pero ningún reactor de fusión ha producido aún más energía eléctrica de la que consume.

    Explorar

    Flujo de energía y eficiencia

    La energía de entrada se divide en salida útil y energía desperdiciada; la eficiencia es la fracción útil, y el total siempre se conserva.

    Explorar

    Conservación de la energía

    Deje caer el objeto: la EPE se convierte en EC, y la total se mantiene igual cuando no hay fricción.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    measurement/ˈmeʒəmənt/ 测量 cè liáng
    ruler/ˈruːlə/ 直尺 zhí chǐ
    measuring cylinder/ˈmeʒərɪŋ ˈsɪlɪndə/ 量筒 liáng tǒng
    meniscus/ˈmenɪskəs/ 弯月面 wān yuè miàn
    stopwatch/ˈstɒpwɒtʃ/ 秒表 miǎo biǎo
    digital timer/ˈdɪdʒɪtl ˈtaɪmə/ 数字计时器 shù zì jì shí qì
    reaction time/rɪˈækʃn taɪm/ 反应时间 fǎn yìng shí jiān
    measure many and divide/ˈmeʒə ˈmeni ænd dɪˈvaɪd/ 测多个再相除 cè duō gè zài xiāng chú
    pendulum/ˈpendjʊləm/ 摆 bǎi
    period/ˈpɪərɪəd/ 周期 zhōu qī
    uncertainty/ʌnˈsɜːtənti/ 不确定度 bù què dìng dù
    scalar quantity/ˈskeɪlə ˈkwɒntɪti/ 标量 biāo liàng
    magnitude/ˈmæɡnɪtjuːd/ 大小 dà xiǎo
    vector quantity/ˈvektə ˈkwɒntɪti/ 矢量 shǐ liàng
    kinetic/kɪˈnetɪk/ 动能 dòng néng
    gravitational potential/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl/ 重力势能 zhòng lì shì néng
    chemical/ˈkemɪkl/ 化学能 huà xué néng
    nuclear/ˈnjuːklɪə/ 核能 hé néng
    electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ 静电能 jìng diàn néng
    internal (thermal)/ɪnˈtɜːnl/ 内能 nèi néng
    transferred/trænsˈfɜːd/ 转移 zhuǎn yí
    principle of conservation of energy/ˈprɪnsɪpl ɒv ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ 能量守恒定律 néng liàng shǒu héng dìng lǜ
    Sankey diagram/ˈsæŋki ˈdaɪəɡræm/ 桑基图 sāng jī tú
    wasted/ˈweɪstɪd/ 浪费 làng fèi
    work done/wɜːk dʌn/ 做功 zuò gōng
    joule/dʒuːl/ 焦耳 jiāo ěr
    power/ˈpaʊə/ 功率 gōng lǜ
    watt/wɒt/ 瓦特 wǎ tè
    efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ 效率 xiào lǜ
    renewability/rɪˌnjuːəˈbɪlɪti/ 可再生性 kě zài shēng xìng
    availability/əˌveɪləˈbɪlɪti/ 可用性 kě yòng xìng
    reliability/rɪˌlaɪəˈbɪlɪti/ 可靠性 kě kào xìng
    scale/skeɪl/ 规模 guī mó
    environmental impact/enˌvaɪrənˈmentl ˈɪmpækt/ 环境影响 huán jìng yǐng xiǎng
    nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ 核聚变 hé jù biàn
    1.8

    Presión 压强

    Syllabus
    Fundamental Suplementario
    1 Definir la presión como fuerza por unidad de área; recordar y utilizar la ecuación $p = \frac{F}{A}$
    2 Describir cómo varía la presión con la fuerza y el área en el contexto de ejemplos cotidianos
    3 Describir, cualitativamente, cómo cambia la presión bajo la superficie de un líquido con la profundidad y la densidad del líquido 4 Recordar y utilizar la ecuación para el cambio de presión bajo la superficie de un líquido $\Delta p = \rho g \Delta h$

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Presión is the force per unit area.

    $$p = \frac{F}{A}$$

    The unit is the pascal 帕斯卡 (Pa). $1\ \text{Pa} = 1\ \text{N/m}^2$.

    Una pequeña superficie produce una gran presión (un cuchillo afilado corta bien). Una gran superficie produce una pequeña presión (las raquetas de nieve evitan que te hundas).

    Pressure in a liquid

    En un líquido, la presión aumenta con la profundidad y con la densidad del líquido:

    $$\Delta p = \rho g \,\Delta h$$

    Por eso una presa se construye más gruesa en la parte inferior, donde la presión del agua es mayor. La presión en un líquido actúa en todas direcciones.

    Un tanque de líquido con flechas empujando hacia afuera en la pared lateral, más largas cuanto más profundas son
    Cuantó más profundo está el líquido, mayor es la presión, por lo que el empuje hacia afuera sobre la pared aumenta con la profundidad.
    El enorme muro de hormigón curvo de la Presa Hoover reteniendo un embalse
    Una presa real se construye mucho más gruesa en la parte inferior, porque el agua empuja con más fuerza donde es más profunda

    Ejemplo resuelto. Encuentre la presión adicional a una profundidad de $2.0\ \text{m}$ en agua (densidad $1000\ \text{kg/m}^3$, $g = 10\ \text{N/kg}$).

    $$\Delta p = \rho g\,\Delta h = 1000 \times 10 \times 2.0 = 20\,000\ \text{Pa}$$
    Explorar

    Presión

    p = ρg·h

    La presión en un líquido es proporcional a la profundidad.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    pressure/ˈpreʃə/ 压强 yā qiáng
    pascal/ˈpæskl/ 帕斯卡 pà sī kǎ
    depth/depθ/ 深度 shēn dù
    1.8

    Consejos para el examen

    • En un gráfico distancia-tiempo, la pendiente es la velocidad; en un gráfico velocidad-tiempo, la pendiente es la aceleración y el área bajo la línea es la distancia recorrida. Nunca lea un gráfico como si fuera el otro.
    • La masa (kg) es la cantidad de materia y es la misma en todas partes; el peso (N) es la fuerza de gravedad, $W = mg$. En la Luna tu masa no cambia pero tu peso es menor.
    • La rapidez es una cantidad escalar; la velocidad es un vector. Algo que se mueve a rapidez constante alrededor de una curva aún está acelerando, porque su dirección cambia continuamente.
    • En la ley de Hooke, la carga es proporcional a la extensión solo hasta el límite de proporcionalidad. Use la extensión (longitud estirada − longitud original), nunca la longitud total.
    • El momento lineal $p = mv$ se conserva en un choque. Asigne a cada velocidad un signo $+$ o $-$ para su dirección antes de sumarlos.
    • Convierta las unidades primero (cm → m, g → kg). Utilice $p = F/A$ para un sólido presionando sobre una superficie, pero $p = \rho g h$ para la presión dentro de un líquido, ya que son fórmulas diferentes.
  • 2

    Física térmica

    Ver lección
    2.1

    Estados de la materia 物态

    Syllabus

    2.1.1 Estados de la materia

    Básico Complementario
    1 Conocer las propiedades distintivas de los sólidos, líquidos y gases
    2 Conocer los términos para los cambios de estado entre sólidos, líquidos y gases (no se requieren las transferencias de gas a sólido y de sólido a gas)

    2.1.2 Modelo de partículas

    Básico Complementario
    1 Describir la estructura de partículas de sólidos, líquidos y gases en términos del arreglo, separación y movimiento de las partículas, y representar estos estados mediante diagramas simples de partículas 6 Saber que las fuerzas y distancias entre partículas (átomos, moléculas, iones y electrones), así como el movimiento de las partículas, afectan las propiedades de sólidos, líquidos y gases
    2 Describir la relación entre el movimiento de las partículas y la temperatura, incluyendo la idea de que existe una temperatura mínima posible ($-273\,{}^{\circ}\text{C}$), conocida como cero absoluto, donde las partículas tienen la menor energía cinética
    3 Describir la presión y los cambios en la presión de un gas en términos del movimiento de sus partículas y sus colisiones con una superficie 7 Describir la presión y los cambios en la presión de un gas en términos de las fuerzas ejercidas por las partículas al colisionar con superficies, creando una fuerza por unidad de área
    4 Saber que el movimiento aleatorio de partículas microscópicas en una suspensión es evidencia del modelo cinético de partículas de la materia 8 Saber que las partículas microscópicas pueden ser movidas por colisiones con moléculas ligeras y rápidas, y utilizar correctamente los términos átomos o moléculas como distintos de partículas microscópicas
    5 Describir y explicar este movimiento (a veces conocido como movimiento browniano) en términos de colisiones aleatorias entre las partículas microscópicas en una suspensión y las partículas del gas o líquido

    2.1.3 Gases y la escala absoluta de temperatura

    Básico Complementario
    1 Describir cualitativamente, en términos de partículas, el efecto sobre la presión de una masa fija de gas debido a: (a) un cambio de temperatura a volumen constante (b) un cambio de volumen a temperatura constante 3 Recordar y usar la ecuación $pV = \text{constant}$ para una masa fija de gas a temperatura constante, incluyendo una representación gráfica de esta relación
    2 Convertir temperaturas entre kelvin y grados Celsius; recordar y usar la ecuación $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Teoría cinética: presión de un gas

    La materia existe en tres estados: sólido 固体, líquido 液体 y gas 气体.

    Estado Forma Volumen Partículas
    Sólido fija fijo juntas, en un patrón regular, vibrando
    Líquido adopta la forma del recipiente fijo juntas, sin patrón, pueden moverse unas respecto a otras
    Gas llena el recipiente variable separadas, movimiento rápido y aleatorio

    Los cambios de estado son: fusión (sólido → líquido), ebullición/evaporación (líquido → gas), condensación 凝结 (gas → líquido) y solidificación 凝固 (líquido → sólido). En la condensación, las partículas del gas disminuyen su velocidad y se acercan para formar un líquido. En la solidificación, las partículas del líquido pierden energía y se asientan en posiciones fijas.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    states of matter/steɪts ɒv ˈmætə/ 物态 wù tài
    solid/ˈsɒlɪd/ 固体 gù tǐ
    liquid/ˈlɪkwɪd/ 液体 yè tǐ
    gas/ɡæs/ 气体 qì tǐ
    condensation/kɒndenˈseɪʃn/ 凝结 níng jié
    solidification/səˌlɪdɪfɪˈkeɪʃn/ 凝固 níng gù
    kinetic particle model/kɪˈnetɪk ˈpɑːtɪkl ˈmɒdl/ 分子动理论 fèn zǐ dòng lǐ lùn
    pressure/ˈpreʃə/ 压强 yā qiáng
    2.1

    El modelo de partículas cinéticas 分子动理论

    Toda la materia está compuesta por pequeñas partículas 粒子 que están siempre en movimiento. Este es el modelo de partículas cinéticas.

    • En un sólido, las partículas solo vibran 振动 alrededor de posiciones fijas.
    • En un líquido siguen estando juntas pero pueden deslizarse unas respecto a otras.
    • En un gas están separadas y se mueven rápidamente en direcciones aleatorias.
    Tres cajas de partículas: una cuadrícula ordenada para un sólido, un amasijo cercano para un líquido y unas pocas partículas en movimiento rápido para un gas
    Las mismas partículas en tres estados: fijas y ordenadas en un sólido, juntas pero desordenadas en un líquido, separadas y rápidas en un gas

    Temperatura y energía de las partículas

    Cuando calientas una sustancia, sus partículas se mueven más rápido, por lo que tienen más energía cinética 动能. La temperatura 温度 es una medida de la energía cinética media de las partículas.

    La temperatura más baja posible es el cero absoluto 绝对零度, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. En este punto, las partículas tienen la menor energía posible.

    Un termómetro digital blanco con una sonda metálica larga y una pantalla pequeña, junto a su estuche de almacenamiento
    Un termómetro digital mide la temperatura detectando la energía cinética de las partículas que toca

    Presión del gas

    Las partículas del gas chocan contra las paredes de su recipiente. Cada choque es un pequeño empuje. La presión 压强 del gas es la fuerza total de estos choques por unidad de área.

    Partículas de gas moviéndose en todas direcciones dentro de una caja, golpeando las paredes
    La presión del gas es la fuerza total de innumerables choques de partículas sobre cada unidad de área de la pared
    • Calentar un gas (a volumen constante) hace que las partículas se muevan más rápido y choquen con más fuerza y frecuencia, por lo que la presión aumenta.
    • Comprimir un gas en un volumen más pequeño (a temperatura constante) significa más choques por segundo en cada unidad de área, por lo que la presión aumenta.

    Para una masa fija de gas a temperatura constante:

    $$pV = \text{constant}$$

    Así que si el volumen se reduce a la mitad, la presión se duplica.

    Una curva de presión frente a volumen que desciende abruptamente y luego se nivela, con puntos que muestran que reducir el volumen a la mitad duplica la presión
    A temperatura constante, la gráfica de presión–volumen es una curva: si reduces el volumen a la mitad, la presión se duplica, por lo que $pV$ permanece constante

    Ejemplo resuelto. Un gas tiene un volumen de $200\ \text{cm}^3$ a una presión de $100\ \text{kPa}$. Se comprime hasta $50\ \text{cm}^3$ a temperatura constante. Encuentre la nueva presión.

    Dado que $pV$ permanece constante, $p_1 V_1 = p_2 V_2$:

    $$100 \times 200 = p_2 \times 50 \quad\Rightarrow\quad p_2 = \frac{20\,000}{50} = 400\ \text{kPa}$$

    Movimiento browniano

    Si observa el humo en el aire bajo un microscopio, ve pequeñas partículas moviéndose de manera entrecortada y aleatoria. Esto es el movimiento browniano. Las partículas son empujadas por las rápidas e invisibles partículas de aire que chocan contra ellas. Es una fuerte evidencia del modelo cinético de partículas.

    Un grano de humo grande siguiendo una trayectoria zigzagueante, rodeado de pequeñas partículas de aire rápidas que lo golpean
    Los impactos aleatorios de las rápidas partículas de aire empujan un grano de humo a lo largo de un camino entrecortado y aleatorio

    La escala kelvin

    Los científicos suelen utilizar la escala de temperatura kelvin (K), que comienza en el cero absoluto. Para convertir:

    $$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$

    Entonces $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.

    Ejemplo resuelto. Convertir $25\,{}^{\circ}\text{C}$ a kelvin, y $200\ \text{K}$ a grados Celsius.

    $$25 + 273 = 298\ \text{K}, \qquad 200 - 273 = -73\,{}^{\circ}\text{C}$$
    Explorar

    Comprimir un gas (Ley de Boyle)

    Deslice el émbolo hacia adentro para reducir el volumen. Las mismas partículas se apretujan en menos espacio, por lo que chocan con las paredes con más frecuencia y la presión aumenta — mientras que presión × volumen permanece constante.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    particle/ˈpɑːtɪkl/ 粒子 lì zi
    vibrate/vaɪˈbreɪt/ 振动 zhèn dòng
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng
    temperature/ˈtemprɪtʃə/ 温度 wēn dù
    absolute zero/ˈæbsəluːt ˈzɪərəʊ/ 绝对零度 jué duì líng dù
    Brownian motion/ˈbraʊnɪən ˈməʊʃn/ 布朗运动 bù lǎng yùn dòng
    kelvin/ˈkelvɪn/ 开尔文 kāi ěr wén
    thermometer/θɜːˈmɒmɪtə/ 温度计 wēn dù jì
    insulating material/ˈɪnsjuːleɪtɪŋ məˈtɪərɪəl/ 隔热材料 gé rè cái liào
    melting/ˈmeltɪŋ/ 熔化 róng huà
    boiling/ˈbɔɪlɪŋ/ 沸腾 fèi téng
    evaporation/ɪˌvæpəˈreɪʃn/ 蒸发 zhēng fā
    cools down/kuːlz daʊn/ 冷却 lěng què
    transfer of thermal energy/ˈtrænsfɜː ɒv ˈθɜːml ˈenədʒi/ 热能传递 rè néng chuán dì
    2.2

    Dilatación térmica 热膨胀

    Syllabus

    2.2.1 Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases

    Core Supplement
    1 Describir, cualitativamente, la expansión térmica de sólidos, líquidos y gases a presión constante 3 Explicar, en términos del movimiento y la disposición de las partículas, el orden de magnitudes relativo de la expansión de sólidos, líquidos y gases al aumentar su temperatura
    2 Describir algunas aplicaciones cotidianas y consecuencias de la expansión térmica

    2.2.2 Capacidad calorífica específica

    Core Supplement
    1 Saber que un aumento de temperatura de un objeto incrementa su energía interna 2 Describir un aumento de temperatura de un objeto en términos de un aumento en las energías cinéticas medias de todas las partículas del objeto
    3 Definir la capacidad calorífica específica como la energía requerida por unidad de masa por cada unidad de aumento de temperatura; recordar y utilizar la ecuación
    $$c = \frac{\Delta E}{m\Delta\theta}$$
    4 Describir experimentos para medir la capacidad calorífica específica de un sólido y de un líquido

    2.2.3 Fusión, ebullición y evaporación

    Core Supplement
    1 Describir la fusión y la ebullición en términos de aportación de energía sin cambio de temperatura 6 Describir las diferencias entre ebullición y evaporación
    2 Conocer las temperaturas de fusión y ebullición del agua a la presión atmosférica estándar
    3 Describir la condensación y la solidificación en términos de partículas
    4 Describir la evaporación en términos de la escape de partículas más energéticas desde la superficie de un líquido 7 Describir cómo la temperatura, el área superficial y el movimiento del aire sobre una superficie afectan a la evaporación
    5 Saber que la evaporación provoca el enfriamiento de un líquido 8 Explicar el enfriamiento de un objeto en contacto con un líquido que se evapora

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Cuando la materia se calienta, sus partículas se mueven más y ocupan más espacio, por lo que el material se expande. Los gases son los que más se expanden, seguidos por los líquidos y luego los sólidos. Este orden proviene de las fuerzas entre las partículas: en un sólido, las partículas están sujetas firmemente en una red cristalina 晶格 (un patrón fijo), por lo que solo pueden vibrar un poco más; en un líquido están sujetas con menos fuerza; en un gas las fuerzas son muy débiles, por lo que las partículas se dispersan mucho más.

    Ejemplos cotidianos: se dejan huecos entre los raíles del ferrocarril; los puentes descansan sobre rodillos; una tapa metálica ajustada se afloja al calentarse.

    Dos rieles ferroviarios con una pequeña separación cuando están fríos, luego expandidos y tocándose cuando están calientes
    Se deja un pequeño hueco entre los raíles cuando están fríos, de modo que cuando se expanden con el calor el hueco se cierra en lugar de deformar la vía
    Explorar

    Calentamiento y calor específico

    Q = mcΔT

    La energía de calor necesaria es proporcional al aumento de temperatura para una masa dada de material.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    thermal expansion/ˈθɜːml ekˈspænʃn/ 热膨胀 rè péng zhàng
    lattice/ˈlætɪs/ 晶格 jīng gé
    Ver lección
    2.2

    Energía interna y capacidad calorífica específica

    La energía interna 内能 de un objeto es la energía total de todas sus partículas. Calentar un objeto aumenta su energía interna y generalmente su temperatura.

    La capacidad calorífica específica 比热容 es la energía necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de un material en 1 °C.

    $$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$

    Un material con una capacidad calorífica específica alta (como el agua) necesita mucha energía para calentarse y se enfría lentamente.

    Ejemplo resuelto. ¿Cuánta energía se necesita para calentar $2.0\ \text{kg}$ de agua desde $20\,{}^{\circ}\text{C}$ hasta $70\,{}^{\circ}\text{C}$? La capacidad calorífica específica del agua es $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.

    Reordenando $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ se obtiene $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, con $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:

    $$\Delta E = 2.0 \times 4200 \times 50 = 420\,000\ \text{J} = 420\ \text{kJ}$$

    Medición de la capacidad calorífica específica. Para un sólido, use un bloque metálico con dos orificios: uno para un calentador eléctrico y otro para un termómetro. Mida la masa $m$ del bloque. Encienda el calentador durante un tiempo medido $t$ y registre la corriente $I$ y el voltaje $V$, de modo que la energía suministrada sea $E = IVt$ (o lea la energía desde un joulemetro). Registre el aumento de temperatura $\Delta\theta$. Luego $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. Para un líquido, caliente una masa medida del líquido en un recipiente y agítelo, de modo que la temperatura sea la misma en todo el recipiente. Envuelva el bloque o el recipiente con material aislante, para que escape menos energía al aire.

    Agua hirviendo: la energía interna aumenta con la temperatura; el calor específico es la energía por kg por °C
    Ebullición del agua: la energía interna aumenta con la temperatura; la capacidad calorífica específica es la energía por kilogramo por grado Celsius
    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ 内能 nèi néng
    specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ 比热容 bǐ rè róng
    heater/ˈhiːtə/ 加热器 jiā rè qì
    2.2

    Fusión, ebullición y evaporación

    Fusión 熔化 y ebullición 沸腾 requieren energía, pero la temperatura permanece constante durante el cambio de estado. Esta energía rompe las fuerzas entre las partículas. Para el agua a presión atmosférica normal, la fusión ocurre a $0\,{}^{\circ}\text{C}$ y la ebullición a $100\,{}^{\circ}\text{C}$.

    Una curva de calentamiento de temperatura frente a tiempo, con mesetas planas durante el fusión y durante la ebullición
    Mientras la sustancia se funde y mientras hierve, la temperatura se mantiene constante, aunque aún se está añadiendo energía

    Evaporación 蒸发 es cuando un líquido cambia a gas en su superficie, por debajo del punto de ebullición. Las partículas más rápidas escapan desde la superficie. Como las partículas más rápidas (con mayor energía) se van, la energía media de las que quedan disminuye, por lo que el líquido se enfría 冷却. Un objeto que toca un líquido que se evapora también se enfría, porque el líquido extrae energía de él: esta es la razón por la que el sudor enfría tu piel.

    La evaporación es más rápida cuando la temperatura es mayor, el área superficial es más grande y hay más movimiento de aire sobre la superficie.

    Explorar

    La curva de calentamiento — observa la pausa en la temperatura

    Mientras la sustancia se funde o hierve, la temperatura se mantiene constante aunque siga entrando calor: la energía rompe enlaces en lugar de calentarla.

    2.3

    Transferencia de energía térmica 热能传递

    Syllabus

    2.3.1 Conducción

    Núcleo Suplemento
    1 Describir experimentos para demostrar las propiedades de los buenos conductores térmicos y los malos conductores térmicos (aislantes térmicos) 2 Describir la conducción térmica en todos los sólidos en términos de vibraciones de la red atómica o molecular, así como en términos del movimiento de electrones libres (deslocalizados) en los conductores metálicos
    3 Describir, en términos de partículas, por qué la conducción térmica es deficiente en gases y la mayoría de los líquidos
    4 Saber que existen muchos sólidos que conducen la energía térmica mejor que los aislantes térmicos, pero menos bien que los buenos conductores térmicos

    2.3.2 Convección

    Núcleo Suplemento
    1 Saber que la convección es un método importante de transferencia de energía térmica en líquidos y gases
    2 Explicar la convección en líquidos y gases en términos de cambios de densidad y describir experimentos para ilustrar la convección

    2.3.3 Radiación

    Núcleo Suplemento
    1 Saber que la radiación térmica es radiación infrarroja y que todos los objetos emiten esta radiación
    2 Saber que la transferencia de energía térmica mediante radiación térmica no requiere un medio 4 Saber que para que un objeto se mantenga a temperatura constante, necesita transferir energía hacia el exterior a la misma velocidad a la que recibe energía
    3 Describir el efecto del color de la superficie (negro o blanco) y de la textura (mate o brillante) sobre la emisión, absorción y reflexión de la radiación infrarroja 5 Saber qué sucede con un objeto si la velocidad a la que recibe energía es menor o mayor que la velocidad a la que transfiere energía hacia el exterior
    6 Saber cómo la temperatura de la Tierra se ve afectada por factores que controlan el equilibrio entre la radiación entrante y la radiación emitida desde la superficie terrestre
    7 Describir experimentos para distinguir entre buenos emisores y malos emisores de radiación infrarroja
    8 Describir experimentos para distinguir entre buenos absorbedores y malos absorbedores de radiación infrarroja
    9 Describir cómo la velocidad de emisión de radiación depende de la temperatura superficial y del área superficial de un objeto

    2.3.4 Consecuencias de la transferencia de energía térmica

    Núcleo Suplemento
    1 Explicar algunas de las aplicaciones y consecuencias cotidianas básicas de la conducción, la convección y la radiación, incluyendo: (a) calentar objetos como sartenes de cocina (b) calentar una habitación mediante convección 2 Explicar algunas de las aplicaciones y consecuencias complejas de la conducción, la convección y la radiación donde más de un tipo de transferencia de energía térmica es significativo, incluyendo: (a) fuego quemando madera o carbón (b) un radiador en un automóvil

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    La energía térmica se transfiere de los lugares calientes a los fríos de tres formas.

    Conducción

    Conducción 热传导 es la transferencia de energía térmica a través de un material sin que este se mueva. Las partículas en un sólido están dispuestas en una red cristalina. Las partículas calentadas vibran más y transfieren la energía a sus vecinas. En los metales, los electrones libres (electrones deslocalizados 自由电子) transportan la energía rápidamente, por lo que los metales son buenos conductores térmicos 热导体.

    Los materiales que conducen mal (como el aire, la madera y el plástico) son aislantes térmicos 热绝缘体.

    Prueba de conductores. Fija una chincheta con un poco de cera en un extremo de varillas de cobre, hierro, vidrio y madera, y calienta los otros extremos por igual. La chincheta cae primero de la varilla de cobre, luego de la de hierro, y al final (o nunca) de la de vidrio y la madera: los metales son los mejores conductores. Una varilla metálica sostenida en una llama se calienta rápidamente; una varilla de madera no.

    Los gases y la mayoría de los líquidos son malos conductores porque sus partículas están muy separadas y solo transmiten energía cuando chocan accidentalmente. No hay red cristalina ni electrones libres.

    Una barra de metal calentada en un extremo, cuyas partículas vibran y transmiten energía hacia el extremo frío
    En la conducción, las partículas vibrantes transfieren energía a sus vecinas, por lo que la energía fluye desde el extremo caliente hacia el frío

    Convección

    Convección 对流 ocurre en líquidos y gases. Cuando un fluido se calienta, se expande, se vuelve menos denso y asciende. El fluido más frío y denso desciende para ocupar su lugar. Este círculo de fluido en movimiento es una corriente de convección.

    Un vaso de agua calentado desde abajo, con una flecha circular que muestra el agua caliente ascendiendo y el agua fría descendiendo
    El fluido calentado asciende y el fluido más frío desciende, estableciendo una corriente de convección

    Demostración de convección. Deja caer un cristal púrpura de permanganato de potasio 高锰酸钾 en un vaso de precipitados con agua y calienta suavemente el vaso por debajo del cristal. Una corriente coloreada asciende sobre el calor, se extiende por la parte superior y desciende por los lados. En el aire, una vela encendida bajo una chimenea de una caja de humo atrae el humo hacia abajo por la otra chimenea y hacia arriba sobre la llama.

    La convección no puede ocurrir en un sólido porque las partículas no pueden moverse de un lugar a otro.

    Radiación

    Radiación térmica 热辐射 es energía transportada por ondas infrarrojas 红外线. Todos los objetos la emiten y no necesita material para viajar a través de ella —puede atravesar el vacío (esta es la forma en que la energía nos llega desde el Sol).

    Una superficie mate 暗淡 y negra es un buen emisor 发射体 y un buen absorbedor 吸收体 de infrarrojos. Una superficie brillante y blanca es un mal emisor y un buen reflector 反射体.

    Una superficie negra mate emitiendo muchas ondas infrarrojas junto a una superficie brillante que emite pocas
    Una superficie mate negra emite (y absorbe) infrarrojos mucho mejor que una brillante y blanca

    Comparación de superficies. Llena dos latas, una mate negra y otra plateada brillante, con agua caliente a la misma temperatura, y coloca un termómetro en cada una. La lata negra se enfría más rápido, por lo que es el mejor emisor. Luego, pon las mismas dos latas, llenas de agua fría, a distancias iguales de un calefactor. La lata negra se calienta más rápido, por lo que es el mejor absorbedor. Un cubo de Leslie 莱斯利立方体 (una caja metálica con un lado de cada acabado) muestra lo mismo.

    Tres imágenes de una mano: bajo luz normal, luego cálida y amarillenta brillante en una cámara térmica, y luego más fría y oscura
    Una cámara térmica (infrarroja) convierte los infrarrojos emitidos por una mano tibia en una imagen; cuanto más brillante significa más caliente

    Un objeto se mantiene a una temperatura constante cuando emite energía a la misma tasa con la que la absorbe. La tasa de emisión es mayor cuando la superficie está más caliente y es más grande. Si un objeto absorbe energía más rápido de la que emite, su temperatura sube; si emite más rápido de la que absorbe, su temperatura baja.

    La temperatura de la Tierra. La Tierra absorbe radiación del Sol y emite radiación infrarroja de vuelta al espacio. Su temperatura promedio se mantiene constante solo cuando ambas tasas son iguales. Cualquier cosa que cambie este equilibrio cambia la temperatura. Los gases en la atmósfera 大气 como el dióxido de carbono absorben parte de los infrarrojos emitidos y devuelven parte de ellos hacia abajo, por lo que más de estos gases calienta la Tierra. Las nubes y el hielo reflejan la luz solar entrante, por lo que menos hielo significa que se absorbe más energía, y la Tierra se calienta aún más.

    Ejemplos cotidianos

    • Una sartén de cocina tiene una base de metal que conduce la energía rápidamente a los alimentos, y un mango de plástico o madera que es un aislante, para que puedas sostenerla.
    • Un radiador 散热器 calienta una habitación por convección: el aire junto a él se calienta, asciende y el aire más frío entra para ocupar su lugar, así que toda la habitación se calienta.
    • Al sentarse cerca de una fogata, sientes su radiación en el rostro de inmediato; el aire entre tú y el fuego es un mal conductor.
    • Una botella térmica 保温瓶 mantiene una bebida caliente evitando las tres transferencias: el vacío entre sus paredes dobles detiene la conducción y la convección, y sus superficies plateadas brillantes detienen la radiación.
    Explorar

    Laboratorio de transferencia de calor

    Comparar las rutas por las que se mueve la energía térmica.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    conduction/kənˈdʌkʃn/ 热传导 rè chuán dǎo
    delocalised electrons/dɪˈlɒkəlaɪzd ɪˈlektrɒnz/ 自由电子 zì yóu diàn zi
    thermal conductor/ˈθɜːml kənˈdʌktə/ 热导体 rè dǎo tǐ
    thermal insulator/ˈθɜːml ˈɪnsjuːleɪtə/ 热绝缘体 rè jué yuán tǐ
    convection/kənˈvekʃn/ 对流 duì liú
    potassium permanganate/pəˈtæsɪəm pəˈmæŋɡəneɪt/ 高锰酸钾 gāo měng suān jiǎ
    thermal radiation/ˈθɜːml ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 热辐射 rè fú shè
    infrared/ˌɪnfrəˈred/ 红外线 hóng wài xiàn
    dull/dʌl/ 暗淡 àn dàn
    emitter/ɪˈmɪtə/ 发射体 fā shè tǐ
    absorber/əbˈsɔːbə/ 吸收体 xī shōu tǐ
    reflector/rɪˈflektə/ 反射体 fǎn shè tǐ
    Leslie cube/ˈlesli kjuːb/ 莱斯利立方体 lái sī lì lì fāng tǐ
    atmosphere/ˈætməsfɪə/ 大气 dà qì
    radiator/ˈreɪdɪeɪtə/ 散热器 sàn rè qì
    vacuum flask/ˈvækjuːm flæsk/ 保温瓶 bǎo wēn píng
    2.3

    Consejos para el examen

    • En el modelo cinético de partículas, calentar un gas hace que sus partículas se muevan más rápido y choquen contra las paredes con más fuerza y frecuencia, por lo que la presión aumenta. Las partículas en sí no se hacen más grandes.
    • La evaporación ocurre solo en la superficie y a cualquier temperatura; la ebullición ocurre en todo el líquido a una temperatura fija. La evaporación enfría el líquido restante, porque las partículas más rápidas escapan.
    • Durante la fusión y la ebullición, la temperatura se mantiene constante aunque se siga suministrando energía —esa energía rompe las fuerzas entre las partículas.
    • Para la capacidad calorífica específica usa $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, donde $\Delta\theta$ es el cambio en la temperatura, no la temperatura final.
    • Las superficies negras mates son los mejores emisores y absorbedores de infrarrojos; las superficies brillantes y claras son los mejores reflectores. La convección necesita un fluido que circule, por lo que no puede ocurrir en un sólido.
  • 3

    Ondas

    Ver lección
    3.1

    Propiedades generales de las ondas

    Syllabus
    Núcleo Complementario
    1 Saber que las ondas transfieren energía sin transferir materia
    2 Describir lo que se entiende por movimiento ondulatorio, ilustrado mediante vibraciones en cuerdas y resortes, y mediante experimentos con ondas en el agua
    3 Describir las características de una onda en términos de frente de onda, longitud de onda, frecuencia, cresta (pico), valle, amplitud y velocidad de la onda
    4 Recordar y utilizar la ecuación para la velocidad de la onda $v = f \lambda$
    5 Saber que, para una onda transversal, la dirección de la vibración es perpendicular a la dirección de propagación, y comprender que la radiación electromagnética, las ondas en el agua y las ondas sísmicas S (secundarias) pueden modelarse como transversales
    6 Saber que, para una onda longitudinal, la dirección de la vibración es paralela a la dirección de propagación, y comprender que las ondas sonoras y las ondas sísmicas P (primarias) pueden modelarse como longitudinales
    7 Describir cómo las ondas pueden sufrir: (a) reflexión en una superficie plana (b) refracción debido a un cambio de velocidad (c) difracción a través de una abertura estrecha 9 Describir cómo la longitud de onda y el tamaño de la abertura afectan la difracción a través de una abertura
    8 Describir el uso de un tanque de ondas para mostrar: (a) reflexión en una superficie plana (b) refracción debido a un cambio en la velocidad causado por un cambio de profundidad (c) difracción debido a una abertura (d) difracción debido a un borde 10 Describir cómo la longitud de onda afecta la difracción en un borde

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Transverse vs longitudinal waves

    Una onda 波 transporta energía 能量 de un lugar a otro sin transportar materia. Por ejemplo, una onda en el agua hace que un corcho flotante se mueva hacia arriba y hacia abajo, pero el corcho no viaja junto con la onda. Puedes crear una onda en una cuerda agitando un extremo hacia arriba y hacia abajo, o en un resorte largo empujando un extremo hacia adelante y hacia atrás. En un tanque de ondas 波纹水槽 (una bandeja poco profunda de agua con una luz encima) puedes observar ondas en el agua en una pantalla debajo.

    Describiendo una onda

    • frente de onda 波前: una línea que une puntos en una onda que se mueven juntos (por ejemplo, la parte superior de una ondulación).
    • longitud de onda 波长 ($\lambda$): la distancia entre dos frentes de onda vecinas (una onda completa).
    • frecuencia 频率 ($f$): el número de ondas que pasan por un punto cada segundo, medido en hercios (Hz).
    • cresta 波峰 (también llamada pico 峰, la parte superior) y valle 波谷 (la parte inferior).
    • amplitud 振幅: la mayor distancia que se desplaza un punto desde su posición de reposo.
    • velocidad de la onda 波速 ($v$): qué tan rápido se desplaza un frente de onda.
    Una onda con la longitud de onda, amplitud, cresta y valle etiquetados
    Las partes de una onda: longitud de onda, amplitud, cresta y valle.

    Estos están relacionados mediante la ecuación de la onda:

    $$v = f\lambda$$
    Una onda transversal con la longitud de onda, amplitud, cresta, valle y dirección de propagación etiquetados
    La longitud de onda es la distancia entre dos crestas; la amplitud es la altura desde la posición de reposo hasta una cresta

    Ejemplo resuelto. Una onda sonora viaja a $340\ \text{m/s}$ y tiene una frecuencia de $170\ \text{Hz}$. Encuentra su longitud de onda.

    Rearranging $v = f\lambda$ gives $\lambda = \dfrac{v}{f}$:

    $$\lambda = \frac{340}{170} = 2.0\ \text{m}$$

    Dos tipos de onda

    • En una onda transversal 横波 las partículas vibran en ángulo recto (90°) respecto a la dirección en que viaja la onda (su propagación 传播). La luz, las ondas del agua y las ondas sísmicas S (el temblor lateral en un terremoto) son transversales.
    • En una onda longitudinal 纵波 las partículas vibran a lo largo de la misma dirección en que viaja la onda. El sonido y las ondas sísmicas P son longitudinales.
    Una onda transversal sobre una onda longitudinal, mostrando cómo se mueven las partículas en cada caso
    En una onda transversal las partículas vibran perpendicularmente a la dirección de viaje; en una longitudinal vibran a lo largo de ella, creando compresiones y rarefacciones

    Comportamiento de las ondas

    Todas las ondas pueden mostrar tres comportamientos, los cuales puedes ver en un tanque de ondas:

    • reflexión 反射: la onda rebota en una superficie.
    • refracción 折射: la onda cambia de velocidad (y usualmente de dirección) cuando entra en un material o profundidad diferente.
    • difracción 衍acción: la onda se expande después de pasar por una abertura o alrededor de un borde. La expansión es máxima cuando la abertura es aproximadamente del mismo tamaño que la longitud de onda.
    Frentes de onda rectos alcanzando una barrera con una abertura estrecha y expandiéndose en frentes curvos más allá de ella
    Las ondas planas que pasan por una abertura estrecha se expanden en ondas curvas — la difracción es más intensa cuando la abertura tiene aproximadamente una longitud de onda de ancho
    Ondas de agua planas en un tanque de ondas reflejándose en una barrera recta
    Las ondas planas en un tanque de ondas se reflejan en una barrera recta: los frentes de onda reflejados salen al mismo ángulo con el que llegaron
    Explorar

    Propiedades de las ondas

    y = a sin(bx + c)

    Una onda: a es la amplitud, b determina la longitud de onda.

    Explorar

    Ondas transversales y longitudinales

    Alterna entre una onda transversal (las partículas se mueven arriba y abajo, como el agua y la luz) y una longitudinal (las partículas se deslizan de ida y vuelta, formando compresiones, como el sonido). La onda se mueve; las partículas permanecen en su lugar.

    Explorar

    Dos ondas superpuestas

    Cambie la segunda onda. Donde las ondas se encuentran se suman — a veces reforzándose, a veces cancelándose.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    wave/weɪv/ 波 bō
    energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
    ripple tank/ˈrɪpl tæŋk/ 波纹水槽 bō wén shuǐ cáo
    wavefront/ˈweɪvfrʌnt/ 波前 bō qián
    wavelength/ˈweɪvleŋθ/ 波长 bō cháng
    frequency/ˈfriːkwənsi/ 频率 pín lǜ
    crest/krest/ 波峰 bō fēng
    peak/piːk/ 峰 fēng
    trough/trɒf/ 波谷 bō gǔ
    amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ 振幅 zhèn fú
    wave speed/weɪv spiːd/ 波速 bō sù
    transverse wave/trænsˈvɜːs weɪv/ 横波 héng bō
    propagation/ˌprɒpəˈɡeɪʃn/ 传播 chuán bō
    longitudinal wave/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl weɪv/ 纵波 zòng bō
    diffraction/dɪˈfrækʃn/ 衍射 yǎn shè
    light/laɪt/ 光 guāng
    3.2

    Luz 光

    Syllabus

    3.2.1 Reflexión de la luz

    Núcleo Complemento
    1 Definir y utilizar los términos normal, ángulo de incidencia y ángulo de reflexión
    2 Describir la formación de una imagen óptica por un espejo plano y dar sus características, es decir, mismo tamaño, misma distancia al espejo, virtual
    3 Indicar que, para la reflexión, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión; recordar y usar esta relación 4 Utilizar construcciones simples, mediciones y cálculos para la reflexión en espejos planos

    3.2.2 Refracción de la luz

    Núcleo Complemento
    1 Definir y utilizar los términos normal, ángulo de incidencia y ángulo de refracción
    2 Describir un experimento para demostrar la refracción de la luz mediante bloques transparentes de diferentes formas 6 Definir el índice de refracción, $n$, como la razón entre las velocidades de una onda en dos regiones distintas
    3 Describir el paso de la luz a través de un material transparente (limitado únicamente a las interfaces entre dos medios) 7 Recordar y usar la ecuación
    $$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$
    4 Indicar el significado del ángulo crítico 8 Recordar y usar la ecuación
    $$n = \frac{1}{\sin c}$$
    5 Describir la reflexión interna y la reflexión total interna utilizando ejemplos experimentales y cotidianos 9 Describir el uso de fibras ópticas, especialmente en telecomunicaciones

    3.2.3 Lentes delgadas

    Núcleo Complemento
    1 Describir la acción de lentes delgadas convergentes y lentes delgadas divergentes sobre un haz paralelo de luz
    2 Definir y utilizar los términos longitud focal, eje principal y foco principal (punto focal)
    3 Dibujar y usar diagramas de rayos para la formación de una imagen real por una lente convergente 6 Dibujar y usar diagramas de rayos para la formación de una imagen virtual por una lente convergente
    4 Describir las características de una imagen utilizando los términos aumentada/mismo tamaño/disminuida, derecha/invertida y real/virtual 7 Describir el uso de una sola lente como lupa
    5 Saber que se forma una imagen virtual cuando los rayos divergentes se extrapolan hacia atrás y no se proyecta visible en una pantalla
    8 Describir el uso de lentes convergentes y divergentes para corregir la vista larga y la vista corta

    3.2.4 Dispersión de la luz

    Núcleo Complemento
    1 Describir la dispersión de la luz ilustrada por la refracción de la luz blanca mediante un prisma de vidrio
    2 Conocer los siete colores tradicionales del espectro visible en orden de frecuencia y en orden de longitud de onda 3 Recordar que la luz visible de una sola frecuencia se describe como monocromática

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Lente convergente forma una imagen
    Reflexión interna total

    Reflexión

    Cuando la luz golpea un espejo, se refleja. Medimos los ángulos desde la normal 法线 (una línea a 90° sobre la superficie).

    La ley de reflexión: el ángulo de incidencia 入射角 es igual al ángulo de reflexión 反射角.

    Un espejo plano 平面镜 forma una imagen que es del mismo tamaño que el objeto, a la misma distancia detrás del espejo, y virtual (no puede ser capturada en una pantalla).

    Un rayo incidente y un rayo reflejado encontrándose en un espejo, con ángulos iguales a ambos lados de la normal
    En un espejo plano el ángulo de incidencia $i$ es igual al ángulo de reflexión $r$, ambos medidos desde la normal

    Refracción

    Cuando la luz pasa de un material a otro, cambia de velocidad y se dobla. El ángulo en el segundo material es el ángulo de refracción 折射角.

    Un rayo pasando del aire al vidrio, refractándose hacia la normal
    Al pasar de aire a vidrio la luz se ralentiza y se dobla hacia la normal, por lo tanto $i > r$

    Observando la refracción. Haz pasar un rayo estrecho desde una caja de rayos 光线盒 hacia un bloque rectangular de vidrio colocado sobre papel. Marca el rayo que entra y el rayo que sale, retira el bloque y une las marcas para dibujar el rayo dentro del vidrio. Dibuja la normal donde entra el rayo y mide el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción con un transportador. Repite con un bloque semicircular o un prisma: el rayo siempre se dobla hacia la normal al entrar en el vidrio y se aleja de la normal al salir.

    El índice de refracción 折射率 $n$ compara la velocidad de la luz en los dos materiales:

    $$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$

    Ejemplo resuelto. Un rayo de luz pasa de aire a vidrio. El ángulo de incidencia es 60° y el ángulo de refracción es 35°. Encuentra el índice de refracción del vidrio. (Toma $\sin i = 0.87$ y $\sin r = 0.57$.)

    $$n = \frac{\sin i}{\sin r} = \frac{0.87}{0.57} = 1.5$$

    Cuando la luz intenta salir del vidrio o del agua y el ángulo es demasiado grande, no puede salir y en cambio se refleja completamente. Esto es reflexión interna total 全反射. Ocurre cuando el ángulo interno es mayor que el ángulo crítico 临界角 $c$:

    $$n = \frac{1}{\sin c}$$
    Dos bloques de vidrio: en uno el rayo se refracta hacia afuera, en el otro se refleja totalmente internamente
    Por debajo del ángulo crítico la luz se refracta hacia afuera; por encima de él la luz se refleja internamente de manera total

    Este efecto se utiliza en fibras ópticas 光纤, finos hilos de vidrio que transportan señales de luz para teléfonos e internet.

    Un haz de fibras finas sostenidas en una mano, cada una brillando intensamente en su punta en una habitación oscura
    La reflexión interna total mantiene a la luz rebotando a lo largo de cada fibra hasta que brilla en la punta

    Lentes

    Una lente convergente 凸透镜 (gruesa en el medio) dobla los rayos paralelos hacia adentro hasta un punto llamado foco principal 焦点. El eje principal 主光轴 es la línea recta que pasa por el centro de la lente en ángulo recto con esta; el foco principal se encuentra sobre este eje. La distancia desde el centro de la lente hasta el foco principal es la distancia focal 焦距. Una lente divergente 凹透镜 (delgada en el medio) dispersa los rayos paralelos hacia afuera, como si provinieran de un foco en el lado de entrada.

    Rayos paralelos pasando a través de una lente convergente y reuniéndose en el foco principal
    Una lente convergente dobla los rayos paralelos para que se encuentren en el foco principal; la distancia focal $f$ es la distancia lente-foco

    Una lente convergente puede formar una imagen real 实像 (los rayos realmente se encuentran; puede mostrarse en una pantalla) o, cuando el objeto está muy cerca, una imagen virtual 虚像 (los rayos solo parecen provenir de ella). Usada cerca del ojo, una lente convergente es una lupa 放大镜.

    Describa una imagen con tres pares de palabras: ampliada 放大的 o reducida 缩小的 (o del mismo tamaño), derecha 正立 o invertida 倒立 (boca abajo), y real o virtual. Un objeto muy lejos del foco produce una imagen reducida, invertida y real (como en una cámara). Un objeto entre el foco y la lente produce una imagen ampliada, derecha y virtual (una lupa).

    Corrección de la vista. Una persona con miopía 近视 ve claramente las cosas cercanas pero las lejanas están borrosas: el ojo enfoca la luz por delante de la retina 视网膜 (la parte trasera del ojo). Una lente divergente frente al ojo dispersa los rayos primero, para que se enfoquen en la retina. Una persona con hipermetropía 远视 ve claramente las cosas lejanas pero las cercanas están borrosas: el ojo enfoca la luz detrás de la retina. Una lente convergente junta los rayos un poco antes de que entren al ojo.

    Una mano sosteniendo una lente convexa redonda, a través de la cual las casas detrás aparecen boca abajo
    Al sostenerse alejada del ojo, una lente convergente forma una imagen real – aquí las casas detrás de ella aparecen boca abajo

    Dispersión

    Un prisma 棱镜 de vidrio separa la luz blanca en los colores del espectro 光谱. Esta separación se llama dispersión 色散.

    Un prisma que descompone un haz de luz blanca en un abanico de colores, desde el rojo hasta el violeta
    Un prisma refracta más la luz violeta y menos la roja, así que la luz blanca se expande en un espectro

    El orden de los colores es rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo, violeta. La luz roja tiene la longitud de onda más larga y la frecuencia más baja; el violeta es lo contrario. La luz de una sola frecuencia (un color puro) es monocromática 单色.

    Un estrecho haz de luz blanca entrando en un prisma de vidrio y expandiéndose en una banda brillante de colores del arcoíris sobre un fondo negro
    La luz blanca que entra en un prisma de vidrio real se expande en todo el espectro de colores
    Explorar

    Doblar un rayo de luz

    Hacer incidir luz en agua, vidrio o diamante y cambiar el ángulo. El rayo se desacelera y se desvía hacia la normal — cuanto más denso es el material (mayor n), mayor es la desviación. Esa desviación explica por qué una pajita parece rota en un vaso y por qué los diamantes brillan.

    Explorar

    Formación de imagen por una lente convergente

    Trazar los tres rayos especiales desde el objeto — donde se encuentran es la imagen. Mueve el objeto más cerca que el punto focal para convertirlo en una lupa.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    reflection/rɪˈflekʃn/ 反射 fǎn shè
    refraction/rɪˈfrækʃn/ 折射 zhé shè
    normal/ˈnɔːml/ 法线 fǎ xiàn
    angle of incidence/ˈæŋɡl ɒv ˈɪnsɪdəns/ 入射角 rù shè jiǎo
    angle of reflection/ˈæŋɡl ɒv rɪˈflekʃn/ 反射角 fǎn shè jiǎo
    plane mirror/pleɪn ˈmɪrə/ 平面镜 píng miàn jìng
    angle of refraction/ˈæŋɡl ɒv rɪˈfrækʃn/ 折射角 zhé shè jiǎo
    ray box/reɪ bɒks/ 光线盒 guāng xiàn hé
    refractive index/rɪˈfræktɪv ˈɪndeks/ 折射率 zhé shè lǜ
    total internal reflection/ˈtəʊtl ɪnˈtɜːnl rɪˈflekʃn/ 全反射 quán fǎn shè
    critical angle/ˈkrɪtɪkl ˈæŋɡl/ 临界角 lín jiè jiǎo
    optical fibre/ˈɒptɪkl ˈfaɪbə/ 光纤 guāng xiān
    converging lens/kənˈvɜːdʒɪŋ lenz/ 凸透镜 tū tòu jìng
    principal focus/ˈprɪnsɪpl ˈfəʊkəs/ 焦点 jiāo diǎn
    principal axis/ˈprɪnsɪpl ˈæksɪs/ 主光轴 zhǔ guāng zhóu
    focal length/ˈfəʊkl leŋθ/ 焦距 jiāo jù
    diverging lens/daɪˈvɜːdʒɪŋ lenz/ 凹透镜 āo tòu jìng
    real image/rɪəl ˈɪmɪdʒ/ 实像 shí xiàng
    virtual image/ˈvɜːtʃuːəl ˈɪmɪdʒ/ 虚像 xū xiàng
    magnifying glass/ˈmæɡnɪfaɪɪŋ ɡlæs/ 放大镜 fàng dà jìng
    enlarged/enˈlɑːdʒd/ 放大的 fàng dà de
    diminished/dɪˈmɪnɪʃt/ 缩小的 suō xiǎo de
    upright/ˈʌpraɪt/ 正立 zhèng lì
    inverted/ɪnˈvɜːtɪd/ 倒立 dào lì
    short-sightedness/ʃɔːt ˈsaɪtɪdnəs/ 近视 jìn shì
    retina/ˈretɪnə/ 视网膜 shì wǎng mó
    long-sightedness/lɒŋ ˈsaɪtɪdnəs/ 远视 yuǎn shì
    prism/ˈprɪzəm/ 棱镜 léng jìng
    dispersion/dɪˈspɜːʃn/ 色散 sè sàn
    monochromatic/ˌmɒnəʊkrəʊˈmætɪk/ 单色 dān sè
    electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ 电磁波谱 diàn cí bō pǔ
    vacuum/ˈvækjuːm/ 真空 zhēn kōng
    radio waves/ˈreɪdɪəʊ weɪvz/ 无线电波 wú xiàn diàn bō
    microwave/ˈmaɪkrəʊweɪv/ 微波 wēi bō
    infrared/ˌɪnfrəˈred/ 红外线 hóng wài xiàn
    echo/ˈekəʊ/ 回声 huí shēng
    Ultrasound/ˌʊltrəˈsaʊnd/ 超声波 chāo shēng bō
    3.3

    El espectro electromagnético 电磁波谱

    Syllabus
    Núcleo Complemento
    1 Conocer las principales regiones del espectro electromagnético en orden de frecuencia y en orden de longitud de onda
    2 Saber que todas las ondas electromagnéticas viajan a la misma alta velocidad en el vacío 6 Saber que la velocidad de las ondas electromagnéticas en el vacío es $3.0 \times 10^8\text{ m/s}$ y es aproximadamente la misma en el aire
    3 Describir los usos típicos de las diferentes regiones del espectro electromagnético, incluyendo: (a) ondas de radio; transmisiones de radio y televisión, astronomía, identificación por radiofrecuencia (RFID) (b) microondas; televisión por satélite, teléfonos móviles, hornos de microondas (c) infrarrojo; parrillas eléctricas, comunicaciones de corto alcance como controladores remotos para televisores, alarmas antirrobo, imágenes térmicas, fibras ópticas (d) luz visible; visión, fotografía, iluminación (e) ultravioleta; marcas de seguridad, detección de billetes falsos, esterilización de agua (f) rayos X; escaneo médico, escáneres de seguridad (g) rayos gamma; esterilización de alimentos y equipamiento médico, detección de cáncer y su tratamiento
    4 Describir los efectos nocivos sobre las personas de la exposición excesiva a la radiación electromagnética, incluyendo: (a) microondas; calentamiento interno de las células del cuerpo (b) infrarrojo; quemaduras en la piel (c) ultravioleta; daño a las células superficiales y los ojos, lo que conduce al cáncer de piel y a enfermedades oculares (d) rayos X y rayos gamma; mutación o daño a las células del cuerpo
    5 Saber que la comunicación con satélites artificiales se realiza principalmente mediante microondas: (a) algunos teléfonos satelitales utilizan satélites artificiales en órbita baja (b) algunos teléfonos satelitales y televisión directa por satélite utilizan satélites geoestacionarios 7 Saber que muchos sistemas importantes de comunicaciones dependen de la radiación electromagnética, incluyendo: (a) los teléfonos móviles e internet inalámbrico utilizan microondas porque las microondas pueden penetrar algunas paredes y solo requieren una antena corta para la transmisión y recepción (b) Bluetooth utiliza ondas de radio porque las ondas de radio atraviesan las paredes pero la señal se debilita al hacerlo (c) las fibras ópticas (luz visible o infrarrojo) se utilizan para televisión por cable y banda ancha de alta velocidad porque el vidrio es transparente a la luz visible y a cierto infrarrojo; la luz visible y el infrarrojo de corta longitud de onda pueden transportar altas tasas de datos
    8 Conocer la diferencia entre una señal digital y analógica
    9 Saber que un sonido puede transmitirse como una señal digital o analógica
    10 Explicar los beneficios de la señalización digital, incluyendo mayor tasa de transmisión de datos y mayor alcance debido a la regeneración precisa de la señal

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    El espectro electromagnético es una familia de ondas que viajan todas a la misma alta velocidad en el vacío 真空, $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. En orden desde la longitud de onda más larga (frecuencia más baja) hasta la más corta:

    Región Uso típico Peligro por exceso
    ondas de radio 无线电波 señales de radio y TV, astronomía, etiquetas RFID —
    microondas 微波 teléfonos móviles, televisión satelital, cocción calentamiento de células corporales
    infrarrojo 红外线 controles remotos, termografía, parrillas, fibras ópticas quemaduras en la piel
    luz visible visión, fotografía —
    ultravioleta 紫外线 esterilización de agua, verificación de billetes cáncer de piel, daño ocular
    rayos X X射线 escáneres médicos y de seguridad daño a las células
    rayos gamma 伽马射线 esterilización de equipos, tratamiento del cáncer mutación de células

    A medida que se pasa de las ondas de radio a los rayos gamma, la frecuencia aumenta, la longitud de onda disminuye y la energía (y el peligro) aumentan. La velocidad de las ondas electromagnéticas en el aire es casi la misma que en el vacío.

    Satélites. La comunicación con satélites artificiales 人造卫星 utiliza principalmente microondas, porque atraviesan la atmósfera. Algunos teléfonos satelitales usan satélites en órbita baja 低轨道, cerca de la Tierra. Otros teléfonos satelitales y la televisión satelital de transmisión directa usan satélites en órbita geoestacionaria 地球静止轨道, que permanecen sobre el mismo punto de la Tierra.

    Una banda coloreada del espectro electromagnético desde las ondas de radio hasta los rayos gamma
    Desde ondas de radio hasta rayos gamma la longitud de onda disminuye mientras que la frecuencia y la energía aumentan

    Señales digitales y analógicas

    Las ondas de radio y las microondas transportan información como señales, y una señal puede ser analógica 模拟 o digital 数字. Una señal analógica varía continuosamente y puede tomar cualquier valor; una señal digital es una secuencia de solo dos valores, encendido o apagado (1 o 0). El sonido puede enviarse como cualquiera de estos tipos de señal: un micrófono proporciona una señal analógica, que puede convertirse en una digital.

    La comunicación moderna prefiere la señalización digital por dos razones que pide el examen:

    • una mayor tasa de transmisión de datos;
    • un mayor alcance: una débil señal digital puede regenerarse completamente limpia hacia un estado exacto de 1/0, porque solo hay que distinguir dos niveles, así que el ruido captado en el camino se elimina. Una señal analógica no puede limpiarse de esta manera, por lo que su ruido se acumula.
    Explorar

    Desliza por el espectro

    Las ondas de radio, la luz visible y los rayos gamma son todas la misma onda; solo cambia la longitud de onda, y con ella la frecuencia, la energía del fotón y su uso cotidiano.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    spectrum/ˈspektrəm/ 光谱 guāng pǔ
    ultraviolet/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt/ 紫外线 zǐ wài xiàn
    X-rays/eks reɪz/ X射线 X shè xiàn
    gamma rays/ˈɡæmə reɪz/ 伽马射线 gā mǎ shè xiàn
    artificial satellites/ˌɑːtɪˈfɪʃl ˈsætəlaɪts/ 人造卫星 rén zào wèi xīng
    low orbit/ləʊ ˈɔːbɪt/ 低轨道 dī guǐ dào
    geostationary orbit/ˌdʒiːəʊˈsteɪʃənəri ˈɔːbɪt/ 地球静止轨道 dì qiú jìng zhǐ guǐ dào
    analogue/ˈænəlɒɡ/ 模拟 mó nǐ
    digital/ˈdɪdʒɪtl/ 数字 shù zì
    3.4

    Sonido 声音

    Syllabus
    Núcleo Complementario
    1 Describir la producción del sonido por fuentes vibratorias
    2 Describir la naturaleza longitudinal de las ondas sonoras 10 Describir la compresión y la rarefacción
    3 Indicar el rango aproximado de frecuencias audibles para los humanos como 20 Hz a 20 000 Hz
    4 Saber que se necesita un medio para transmitir las ondas sonoras
    5 Saber que la velocidad del sonido en el aire es aproximadamente 330–350 m/s 11 Saber que, en general, el sonido viaja más rápido en sólidos que en líquidos y más rápido en líquidos que en gases
    6 Describir un método que involucre una medición de distancia y tiempo para determinar la velocidad del sonido en el aire
    7 Describir cómo los cambios en la amplitud y la frecuencia afectan la intensidad y el tono de las ondas sonoras
    8 Describir un eco como la reflexión de las ondas sonoras
    9 Definir ultrasonido como sonido con una frecuencia superior a 20 kHz 12 Describir los usos del ultrasonido en ensayos no destructivos de materiales, escaneo médico de tejidos blandos y sonar, incluyendo el cálculo de profundidad o distancia a partir del tiempo y la velocidad de la onda

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    El sonido lo produce un objeto vibrante. Es una onda longitudinal: el aire se comprime en una compresión 压缩 (partículas juntas) y se estira en una rarefacción 稀疏 (partículas separadas).

    • El sonido necesita un medio 介质 (un material) para propagarse, por lo que no puede viajar en el vacío.
    • Los humanos pueden escuchar frecuencias desde aproximadamente $20\ \text{Hz}$ hasta $20\,000\ \text{Hz}$.
    • El sonido viaja mucho más lento que la luz (aproximadamente $340\ \text{m/s}$ en el aire), y más rápido en líquidos y sólidos que en gases.
    • Una amplitud mayor produce un sonido más fuerte (mayor intensidad sonora 响度); una frecuencia mayor produce un tono agudo 音调 más alto. Así, los rápidos clics de un delfín son de tono agudo, y un golpe fuerte al tambor (gran vibración) es fuerte.

    Un sonido reflejado es un eco 回声.

    Medición de la velocidad del sonido. Dos estudiantes se paran a una distancia conocida entre sí, por ejemplo 500 m, medida con una cinta métrica o una rueda medidora. Uno golpea dos bloques de madera juntos. El otro inicia un cronómetro cuando ve que los bloques chocan y lo detiene cuando escucha el golpe. La luz llega casi instantáneamente, así que el tiempo medido es el tiempo que tarda el sonido, y velocidad = distancia ÷ tiempo. Repita y tome un promedio para reducir el error de tiempo de reacción. El método del eco requiere una sola persona: aplaudir a una distancia conocida de un muro grande y cronometrar el sonido reflejado, recordando que el sonido viaja ida y vuelta.

    Ejemplo resuelto. Un estudiante se encuentra a 85 m de una pared grande y da una palmada. El eco regresa 0.50 s después. Calcule la velocidad del sonido.

    El sonido viaja hasta el muro y regresa, una distancia de $2 \times 85 = 170\ \text{m}$, en $0.50\ \text{s}$:

    $$v = \frac{s}{t} = \frac{170}{0.50} = 340\ \text{m/s}$$

    La ultrasonido 超声波 es sonido por encima de $20\,000\ \text{Hz}$ – demasiado alto para que los humanos lo escuchen. Sus aplicaciones se basan en la reflexión: la sonar mide la profundidad del agua, el escaneo médico imagea un bebé o tejidos blandos, y la prueba no destructiva encuentra grietas dentro del metal sin abrirlo. Al igual que un eco, un pulso de ultrasonido viaja ida y vuelta, por lo que se divide la distancia total a la mitad para llegar al objeto.

    Ejemplo resuelto. Un pulso de sonar regresa del fondo marino $0.10\ \text{s}$ después de ser enviado; el sonido viaja a $1500\ \text{m/s}$ en el agua. El pulso recorre $s = v\times t = 1500\times0.10 = 150\ \text{m}$ ida y vuelta, por lo que el mar está $150/2 = 75\ \text{m}$ de profundidad.

    Un micrófono convierte las vibraciones del sonido en el aire en una señal eléctrica
    Un micrófono convierte las vibraciones del sonido en el aire en una señal eléctrica
    Explorar

    Sonido

    y = a sin(bt + c)

    Más fuerte = mayor amplitud; tono más agudo = mayor frecuencia.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    sound/saʊnd/ 声音 shēng yīn
    compression/kəmˈpreʃn/ 压缩 yā suō
    rarefaction/ˌreərɪˈfækʃn/ 稀疏 xī shū
    medium/ˈmiːdɪəm/ 介质 jiè zhì
    loudness/ˈlaʊdnəs/ 响度 xiǎng dù
    pitch/pɪtʃ/ 音调 yīn diào
    3.4

    Consejos para el examen

    • Aprende $v = f\lambda$ y prepárate para reorganizarlo. Mide todos los ángulos de incidencia, reflexión y refracción desde la normal (la línea a 90° respecto a la superficie), nunca desde la propia superficie.
    • Las ondas transversales vibran perpendicularmente a la dirección de propagación (luz, agua); las ondas longitudinales vibran en la misma dirección (sonido). El sonido necesita un medio, por lo que no puede atravesar el vacío; la luz sí puede.
    • La reflexión interna total ocurre únicamente cuando la luz viaja de un material más denso a uno menos denso y el ángulo interno es mayor que el ángulo crítico.
    • Conoce el espectro electromagnético en orden: radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X, gamma. Todos viajan a la misma velocidad en el vacío; la frecuencia y la energía aumentan desde radio hasta gamma.
    • Al entrar en un material más denso (aire → vidrio) la luz disminuye su velocidad y se desvía hacia la normal; al salir (vidrio → aire) aumenta su velocidad y se desvía alejándose.
  • 4

    Electricidad y magnetismo

    Ver lección
    4.1

    Magnetismo

    Syllabus
    Núcleo Suplemento
    1 Describir las fuerzas entre polos magnéticos y entre imanes y materiales magnéticos, incluyendo el uso de los términos polo norte (polo N), polo sur (polo S), atracción y repulsión, magnetizado y no magnetizado 10 Explicar que las fuerzas magnéticas se deben a interacciones entre campos magnéticos
    2 Describir la magnetización inducida
    3 Enunciar las diferencias entre las propiedades de los imanes temporales (hechos de hierro blando) y las propiedades de los imanes permanentes (hechos de acero)
    4 Enunciar la diferencia entre materiales magnéticos y no magnéticos
    5 Describir un campo magnético como una región en la que un polo magnético experimenta una fuerza
    6 Dibujar el patrón y la dirección de las líneas de campo magnético alrededor de un imán en barra 11 Saber que la intensidad relativa de un campo magnético se representa mediante la separación de las líneas de campo magnético
    7 Enunciar que la dirección de un campo magnético en un punto es la dirección de la fuerza sobre el polo N de un imán en ese punto
    8 Describir la representación de líneas de campo magnético con una brújula o limaduras de hierro y el uso de una brújula para determinar la dirección del campo magnético
    9 Describir los usos de los imanes permanentes y los electroimanes

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Un imán 磁体 puede atraer ciertos metales. Todo imán tiene dos extremos llamados polos 磁极: un polo norte 北极 (polo N) y un polo sur 南极 (polo S).

    Two magnets: N facing S attract; N facing N repel
    Polos iguales se repelen; polos diferentes se atraen

    La regla para dos polos es similar a la regla para las cargas:

    • Los polos iguales (N y N, o S y S) se repelen 排斥 (se separan): esto es repulsión 排斥力.
    • Los polos diferentes (N y S) se atraen 吸引 (se juntan): esto es atracción 吸引力.

    Un imán atrae un material magnético 磁性材料, como el hierro, el acero, el cobalto y el níquel. Otros materiales (cobre, plástico, madera) son no magnéticos y no sienten ninguna fuerza.

    Magnetismo inducido

    Coloca un trozo de hierro cerca o tocando un imán, y el hierro se convierte en un imán por sí mismo. Esto es magnetismo inducido 感应磁性. El extremo del hierro más cercano al imán adquiere el polo opuesto, por lo que ambos se atraen.

    Imanes temporales y permanentes

    • El hierro blando 软铁 es fácil de magnetizar 磁化 pero pierde su magnetismo rápidamente. Se utiliza para un imán temporal 临时磁体.
    • El acero 钢 es más difícil de magnetizar pero mantiene su magnetismo. Se utiliza para un imán permanente 永磁体.

    Por tanto, un trozo de hierro blando no magnetizado 未磁化 es el mejor núcleo para un electroimán, mientras que el acero es ideal para un imán en barra.

    Campos magnéticos

    Un campo magnético 磁场 es una región 区域 donde un polo magnético siente una fuerza. Lo representamos con líneas de campo magnético 磁场线:

    • Las líneas salen del polo N e entran al polo S.
    • La dirección del campo en un punto es la dirección de la fuerza sobre el polo N de un pequeño imán de prueba colocado allí.
    • Donde las líneas están juntas, el campo es fuerte; donde están separadas, el campo es débil.
    Un imán de barra con líneas de campo que se curvan desde el polo norte hasta el polo sur
    Las líneas de campo de un imán en barra salen del polo N e entran al polo S

    Puedes mostrar el patrón espolvoreando limaduras de hierro 铁屑 sobre papel encima de un imán, o moviendo una pequeña brújula de trazado brújula 指南针 a su alrededor (la aguja apunta a lo largo del campo).

    Pequeñas limaduras de hierro sobre papel blanco alineándose en líneas curvas alrededor de un imán de barra rojo y azul
    Las limaduras de hierro se alinean a lo largo de las líneas de campo, mostrando el patrón del campo de un imán en barra

    Usos de los imanes

    • Imanes permanentes: cierre de puertas de nevera, agujas de brújula, altavoces.
    • Electroimanes 电磁铁 (magnéticos solo mientras fluye una corriente): grúas que levantan chatarra de hierro, timbres eléctricos, relevadores. Un electroimán se puede encender y apagar y hacer más fuerte, algo que un imán permanente no puede hacer.

    Las fuerzas magnéticas ocurren porque los campos de los dos imanes empujan y tiran el uno del otro.

    Explorar

    Hacer visible el campo magnético

    Las agujas de la brújula trazan el campo de N a S; alterna entre atracción y repulsión y observa cómo se reorganiza todo el patrón, con la aparición de un punto neutro para polos iguales.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    magnet/ˈmæɡnɪt/ 磁体 cí tǐ
    poles/pəʊlz/ 磁极 cí jí
    north pole/nɔːθ pəʊl/ 北极 běi jí
    south pole/saʊθ pəʊl/ 南极 nán jí
    repel/rɪˈpel/ 排斥 pái chì
    repulsion/rɪˈpʌlʃn/ 排斥力 pái chì lì
    attract/əˈtrækt/ 吸引 xī yǐn
    attraction/əˈtrækʃn/ 吸引力 xī yǐn lì
    magnetic material/mæɡˈnetɪk məˈtɪərɪəl/ 磁性材料 cí xìng cái liào
    induced magnetism/ɪnˈdjuːst ˈmæɡnɪtɪzəm/ 感应磁性 gǎn yìng cí xìng
    soft iron/sɒft ˈaɪən/ 软铁 ruǎn tiě
    magnetise/ˈmæɡnɪtaɪz/ 磁化 cí huà
    temporary magnet/ˈtemprəri ˈmæɡnɪt/ 临时磁体 lín shí cí tǐ
    steel/stiːl/ 钢 gāng
    permanent magnet/ˈpɜːmənənt ˈmæɡnɪt/ 永磁体 yǒng cí tǐ
    unmagnetised/ʌnˈmæɡnɪtaɪzd/ 未磁化 wèi cí huà
    magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ 磁场 cí chǎng
    region/ˈriːdʒn/ 区域 qū yù
    magnetic field lines/mæɡˈnetɪk fiːld laɪnz/ 磁场线 cí chǎng xiàn
    iron filings/ˈaɪən ˈfaɪlɪŋz/ 铁屑 tiě xiè
    compass/ˈkʌmpəs/ 指南针 zhǐ nán zhēn
    4.2

    Electricidad estática

    Syllabus

    4.2.1 Carga eléctrica

    Núcleo Suplemento
    1 Indique que existen cargas positivas y negativas 7 Indique que la carga se mide en coulombs
    2 Indique que las cargas positivas repelen a otras cargas positivas, las cargas negativas repelen a otras cargas negativas, pero las cargas positivas atraen a las cargas negativas 8 Describa un campo eléctrico como una región en la que una carga eléctrica experimenta una fuerza
    3 Describa experimentos simples para mostrar la producción de cargas electrostáticas por fricción y para mostrar la detección de cargas electrostáticas 9 Indique que la dirección del campo eléctrico en un punto es la dirección de la fuerza sobre una carga positiva en ese punto
    4 Explique que la carga de sólidos por fricción implica únicamente una transferencia de carga negativa (electrones) 10 Describa patrones eléctricos simples de campo, incluyendo la dirección del campo: (a) alrededor de una carga puntual (b) alrededor de una esfera conductora cargada (c) entre dos placas conductoras paralelas con cargas opuestas (no se examinarán los efectos de extremo)
    5 Describa un experimento para distinguir entre conductores eléctricos e aislantes
    6 Recuerde y utilice un modelo simple de electrones para explicar la diferencia entre conductores e aislantes eléctricos y dé ejemplos típicos

    4.2.2 Corriente eléctrica

    Núcleo Suplemento
    1 Sepa que la corriente eléctrica está relacionada con el flujo de carga 5 Defina la corriente eléctrica como la carga que pasa por un punto por unidad de tiempo; recuerde y use la ecuación $I = \frac{Q}{t}$
    2 Describa el uso de amperímetros (analógicos y digitales) con diferentes rangos
    3 Describa la conducción eléctrica en metales en términos del movimiento de electrones libres 6 Indique que la corriente convencional va de positivo a negativo y que el flujo de electrones libres va de negativo a positivo
    4 Conozca la diferencia entre corriente continua (c.c.) y corriente alterna (c.a.)

    4.2.3 Fuerza electromotriz y diferencia de potencial

    Núcleo Suplemento
    1 Defina la fuerza electromotriz (f.e.m.) como el trabajo eléctrico realizado por una fuente al mover una unidad de carga alrededor de un circuito completo 6 Recuerde y use la ecuación para la f.e.m. $E = \frac{W}{Q}$
    2 Sepa que la f.e.m. se mide en voltios (V)
    3 Defina la diferencia de potencial (d.p.) como el trabajo realizado por una unidad de carga al pasar a través de un componente 7 Recuerde y use la ecuación para la d.p. $V = \frac{W}{Q}$
    4 Sepa que la d.p. entre dos puntos se mide en voltios (V)
    5 Describa el uso de voltímetros (analógicos y digitales) con diferentes rangos

    4.2.4 Resistencia

    Núcleo Suplemento
    1 Recuerde y use la ecuación para la resistencia $R = \frac{V}{I}$ 4 Esboce y explique las gráficas de corriente–voltaje para una resistencia de valor constante, una lámpara de filamento y un diodo
    2 Describa un experimento para determinar la resistencia usando un voltímetro y un amperímetro y realice los cálculos correspondientes
    3 Enuncie cualitativamente la relación de la resistencia de un hilo metálico con su longitud y con su área transversal 5 Recuerde y use la siguiente relación para un conductor eléctrico metálico: (a) la resistencia es directamente proporcional a la longitud (b) la resistencia es inversamente proporcional al área transversal

    4.2.5 Energía eléctrica y potencia eléctrica

    Núcleo Suplemento
    1 Entienda que los circuitos eléctricos transfieren energía desde una fuente de energía eléctrica, como una pila o la red eléctrica, hacia los componentes del circuito y luego hacia el entorno
    2 Recuerde y use la ecuación para la potencia eléctrica $P = IV$
    3 Recuerde y use la ecuación para la energía eléctrica $E = IVt$
    4 Defina el kilovatio-hora (kWh) y calcule el costo de usar aparatos eléctricos donde la unidad de energía sea el kWh

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Hay dos tipos de carga eléctrica 电荷: carga positiva 正电荷 y carga negativa 负电荷. La regla es similar a la de los polos — cargas iguales se repelen, cargas diferentes se atraen.

    Una chica tocando la cúpula de un generador de Van de Graaff con su cabello erguido verticalmente y repeliéndose entre sí
    Cada cabello recoge la misma carga del domo, y las cargas iguales se repelen — así que los cabellos se separan

    Carga por fricción

    Cuando frotas dos materiales diferentes entre sí, los electrones 电子 (partículas negativas pequeñas) se mueven de uno a otro. Esto es carga por fricción 摩擦起电.

    • El material que gana electrones se vuelve negativo.
    • El material que pierde electrones se vuelve positivo.

    Solo los electrones negativos se mueven; la carga positiva permanece en su lugar. Por ejemplo, una varilla de plástico frotada con un paño se vuelve negativa porque los electrones se mueven del paño a la varilla, dejando el paño positivo.

    Detección de una carga. Una varilla cargada recolecta pequeños trozos de papel y desvía un fino chorro de agua de un grifo. Cuelga una varilla cargada de un hilo y acerca otra varilla cargada a ella: si las dos tienen el mismo tipo de carga, la varilla colgante se aleja. La repulsión es la única prueba segura de una carga, porque la atracción también ocurre con objetos sin carga.

    Conductores y aislantes

    • Un conductor 导体 (cobre y otros metales) permite que la carga fluya a través de él fácilmente, porque tiene electrones libres que pueden moverse.
    • Un aislante 绝缘体 (plástico, caucho, vidrio) no deja que la carga fluya, porque sus electrones no pueden moverse libremente.

    Para probar un material, conéctalo en un circuito con una lámpara y una batería: la lámpara se enciende solo para un conductor.

    Campos eléctricos e iones

    La carga se mide en coulombs 库仑 (C). Un campo eléctrico 电场 es una región donde una carga eléctrica siente una fuerza. Su dirección en un punto es la dirección de la fuerza sobre una carga positiva. Patrones de campo simples (las flechas muestran la dirección):

    • alrededor de una carga puntual 点电荷: líneas rectas, apuntando lejos de una carga positiva y hacia una carga negativa;
    • alrededor de una bola cargada (esfera): lo mismo, extendiéndose uniformemente en todas direcciones;
    • entre dos placas paralelas con cargas opuestas: líneas rectas, espaciadas uniformemente desde la placa positiva hacia la placa negativa.
    Líneas de campo apuntando hacia afuera de una carga positiva, hacia adentro de una carga negativa y rectas hacia abajo entre dos placas cargadas
    Las líneas de campo eléctrico apuntan lejos de una carga positiva y hacia una negativa; entre placas paralelas el campo es uniforme

    Un átomo normalmente es neutro. Si pierde electrones se convierte en un ion 离子 positivo; si gana electrones se convierte en un ion negativo.

    Explorar

    Frota un globo y observa cómo se carga

    Frotar transfiere electrones al globo, haciéndolo negativo; luego atrae una pared neutra o tu cabello, pero repele otro globo negativo.

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    Inglés Chino Pinyin
    electron/ɪˈlektrɒn/ 电子 diàn zi
    charging by friction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ ˈfrɪkʃn/ 摩擦起电 mó cā qǐ diàn
    conductor/kənˈdʌktə/ 导体 dǎo tǐ
    insulator/ˈɪnsjuːleɪtə/ 绝缘体 jué yuán tǐ
    coulomb/ˈkuːlɒm/ 库仑 kù lún
    electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ 电场 diàn chǎng
    point charge/pɔɪnt tʃɑːdʒ/ 点电荷 diǎn diàn hè
    ion/ˈaɪɒn/ 离子 lí zi
    electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ 电流 diàn liú
    ampere/ˈæmpeə/ 安培 ān péi
    ammeter/ˈæmiːtə/ 电流表 diàn liú biǎo
    analogue/ˈænəlɒɡ/ 模拟 mó nǐ
    bell/bel/ 电铃 diàn líng
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    4.2

    Corriente eléctrica

    Una corriente eléctrica 电流 es un flujo de carga eléctrica. Se mide en amperios 安培 (A) con un amperímetro 电流表, conectado en serie en el circuito.

    Un amperímetro analógico 模拟 tiene una aguja que se mueve sobre una escala; un amperímetro digital 数字 muestra la lectura como un número. Ambos vienen con diferentes rangos 量程. Elige el rango justo por encima de la mayor corriente que esperes, para que la lectura sea precisa: un rango de 0–1 A para una corriente de aproximadamente 0.4 A, o un rango de 0–100 mA para unos pocos miliamperios.

    La corriente es la carga que pasa por un punto cada segundo:

    $$I = \frac{Q}{t}$$

    Aquí $I$ es la corriente (A), $Q$ es la carga (C) y $t$ es el tiempo (s). Reordenando, $Q = It$.

    Ejemplo resuelto. Una corriente de $3.0\ \text{A}$ fluye a través de una lámpara durante $20\ \text{s}$. ¿Cuánta carga pasa a través de ella?

    $$Q = It = 3.0 \times 20 = 60\ \text{C}$$

    En un metal, la corriente es un flujo de electrones libres 自由电子. Hay dos "direcciones" que conocer:

    • La corriente convencional 常规电流 se considera que fluye de + a − alrededor del exterior de la pila.
    • Los electrones libres realmente se desplazan en la otra dirección, de − a +.

    Una corriente directa 直流电 (d.c.) siempre fluye en una sola dirección, como desde una batería. Una corriente alterna 交流电 (a.c.) cambia de dirección muchas veces cada segundo, como desde el suministro de red 市电.

    Una línea horizontal estable para corriente continua junto a una onda que cruza cero para corriente alterna
    La corriente continua es constante en una dirección; la corriente alterna cambia constantemente de dirección, cruzando el cero muchas veces cada segundo.
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    Inglés Chino Pinyin
    digital/ˈdɪdʒɪtl/ 数字 shù zì
    ranges/ˈreɪndʒɪz/ 量程 liáng chéng
    free electrons/friː ɪˈlektrɒnz/ 自由电子 zì yóu diàn zi
    conventional current/kənˈvenʃənl ˈkʌrənt/ 常规电流 cháng guī diàn liú
    direct current/daɪˈrekt ˈkʌrənt/ 直流电 zhí liú diàn
    alternating current/ˈɔːltəneɪtɪŋ ˈkʌrənt/ 交流电 jiāo liú diàn
    mains supply/meɪnz səˈplaɪ/ 市电 shì diàn
    4.2

    F.e.m. y diferencia de potencial

    Una pila proporciona energía 能量 a las cargas que se mueven a través de ella. Dos cantidades describen esto, y ambas se miden en voltios 伏特 (V).

    • La fuerza electromotriz 电动势 (f.e.m.) de una fuente es el trabajo eléctrico que realiza para impulsar una unidad de carga a lo largo de un circuito 电路 completo.
    • La diferencia de potencial 电势差 (d.p.) a través de un componente es el trabajo realizado por una unidad de carga mientras pasa a través de ese componente.

    Un voltímetro 电压表 mide f.e.m. o d.d.p. Se conecta en paralelo (a través del componente). Al igual que los amperímetros, los voltímetros son analógicos o digitales y tienen diferentes rangos: elige el rango ligeramente superior al mayor voltaje que esperes.

    Un circuito con un voltímetro conectado a los terminales de la pila leyendo la f.e.m. y un voltímetro conectado a la lámpara leyendo la diferencia de potencial
    Un voltímetro conectado a través de una pila lee la f.e.m. (energía que se otorga a cada culombio); un voltímetro conectado a través de una lámpara lee la d.d.p. (energía que gasta cada culombio allí).

    Ambas son trabajo por unidad de carga:

    $$E = \frac{W}{Q}, \qquad V = \frac{W}{Q}$$

    donde $W$ es la energía transferida (J) y $Q$ es la carga (C). Por ejemplo, si una pila realiza $120\ \text{J}$ de trabajo para mover $60\ \text{C}$ de carga alrededor de un circuito, su f.e.m. es $120 / 60 = 2\ \text{V}$.

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    Inglés Chino Pinyin
    volt/vəʊlt/ 伏特 fú tè
    electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ 电动势 diàn dòng shì
    circuit/ˈsɜːkɪt/ 电路 diàn lù
    potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ 电势差 diàn shì chā
    voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ 电压表 diàn yā biǎo
    4.2

    Resistencia

    La resistencia 电阻 measures how hard it is for current to flow. A bigger resistance gives a smaller current. It is measured in ohms 欧姆 (Ω).

    $$R = \frac{V}{I}$$

    Medición de resistencia. Conecta el componente en serie con una pila, un interruptor, un amperímetro y un resistor variable 可变电阻器, y conecta un voltímetro a través del componente. Cierra el interruptor, lee $I$ y $V$, luego cambia el resistor variable para obtener varios pares más de lecturas. Calcula $R = V/I$ para cada par y toma el promedio, o grafica $V$ contra $I$: para un alambre metálico a temperatura constante, la gráfica es una línea recta que pasa por el origen, y su pendiente es $R$.

    Ejemplo resuelto. Una batería de $12\ \text{V}$ impulsa una corriente de $0.50\ \text{A}$ a través de una lámpara. Encuentra la resistencia de la lámpara.

    $$R = \frac{V}{I} = \frac{12}{0.50} = 24\ \Omega$$

    Para un alambre metálico a temperatura constante:

    • Un alambre más largo tiene mayor resistencia — la resistencia es directamente proporcional 成正比 a la longitud, $R \propto l$;
    • Un alambre más grueso tiene menor resistencia — la resistencia es inversamente proporcional 成反比 al área transversal 横截面积, $R \propto \dfrac{1}{A}$.

    Por lo tanto, duplicar la longitud duplica la resistencia; duplicar el área la reduce a la mitad. (El área depende del diámetro al cuadrado, por lo que un pequeño cambio en el diámetro cambia mucho la resistencia.)

    Las gráficas de corriente–voltaje muestran cómo se comportan tres componentes:

    Componente Forma de la gráfica I–V Lo que te dice
    resistencia 电阻器 (fijo) línea recta que pasa por el origen la resistencia es constante, así que $I \propto V$
    lámpara de filamento 灯丝灯泡 forma de S, volviéndose más plana a medida que $V$ aumenta el alambre se calienta, así que su resistencia aumenta
    diodo 二极管 corriente solo en una dirección muy alta resistencia en la dirección "incorrecta"
    Tres gráficos de corriente-voltaje: una línea recta para una resistencia, una curva en forma de S para una lámpara de filamento y una curva unilateral para un diodo
    Un resistor da una línea recta; una lámpara de filamento se curva al calentarse; un diodo deja pasar la corriente solo en una dirección.
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    La ley de Ohm

    V = IR

    Para un conductor óhmico, la corriente es proporcional al voltaje — la pendiente es 1/resistencia.

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    Características I–V

    Un resistor da una línea recta; una lámpara de filamento y un diodo no. Elige un componente y lee I y R en la curva.

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    Resistencia

    V = R·I

    Ley de Ohm: el voltaje es proporcional a la corriente — la pendiente es la resistencia R.

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    Inglés Chino Pinyin
    resistance/rɪˈzɪstəns/ 电阻 diàn zǔ
    ohm/əʊm/ 欧姆 ōu mǔ
    variable resistor/ˈveərɪəbl rɪˈzɪstə/ 可变电阻器 kě biàn diàn zǔ qì
    directly proportional/daɪˈrektli prəˈpɔːʃənl/ 成正比 chéng zhèng bǐ
    inversely proportional/ɪnˈvɜːsli prəˈpɔːʃənl/ 成反比 chéng fǎn bǐ
    cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ 横截面积 héng jié miàn jī
    resistor/rɪˈzɪstə/ 电阻器 diàn zǔ qì
    filament lamp/ˈfɪləmənt læmp/ 灯丝灯泡 dēng sī dēng pào
    diode/ˈdaɪəʊd/ 二极管 èr jí guǎn
    electrical power/ɪˈlektrɪkl ˈpaʊə/ 电功率 diàn gōng lǜ
    4.2

    Energía eléctrica y potencia

    Un circuito transfiere energía desde una fuente (una pila o la red eléctrica) hacia los componentes, y luego hacia el entorno (a menudo como calor, luz o sonido).

    La potencia eléctrica 电功率 es la energía transferida por segundo, medida en vatios 瓦特 (W):

    $$P = IV$$

    La energía eléctrica 电能 transferida en un tiempo $t$, medida en joules 焦耳 (J), es:

    $$E = IVt$$

    Ejemplo resuelto. Un motor de $12\ \text{V}$ consume una corriente de $2.0\ \text{A}$. Encuentra su potencia, y la energía que transfiere en $30\ \text{s}$.

    $$P = IV = 2.0 \times 12 = 24\ \text{W}$$
    $$E = Pt = 24 \times 30 = 720\ \text{J}$$

    El kilowatt-hora

    Las facturas de electricidad domésticas usan una unidad de energía mayor, el kilowatt-hora 千瓦时 (kWh). Un kilowatt-hora es la energía consumida por un electrodoméstico de $1\ \text{kW}$ en una hora de $1$.

    $$\text{energy (kWh)} = \text{power (kW)} \times \text{time (h)}$$
    $$\text{cost} = \text{energy (kWh)} \times \text{price per kWh}$$

    Por ejemplo, un $2\ \text{kW}$ calentador 加热器 usado durante $3$ horas consume $2 \times 3 = 6\ \text{kWh}$. Si un kWh cuesta $20$ centavos, el costo es de $6 \times 20 = 120$ centavos.

    Un medidor de electricidad doméstico moderno con una pantalla digital que lee cero kilovatios-hora
    Un medidor de electricidad doméstico cuenta la energía consumida, en kilovatios-hora (kWh) — lo que muestra el medidor es lo que se paga
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    Inglés Chino Pinyin
    energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
    watt/wɒt/ 瓦特 wǎ tè
    electrical energy/ɪˈlektrɪkl ˈenədʒi/ 电能 diàn néng
    joule/dʒuːl/ 焦耳 jiāo ěr
    kilowatt-hour/ˈkɪləwɒt ˈaʊə/ 千瓦时 qiān wǎ shí
    appliance/əˈplaɪəns/ 电器 diàn qì
    heater/ˈhiːtə/ 加热器 jiā rè qì
    cell/sel/ 电池 diàn chí
    battery/ˈbætəri/ 电池组 diàn chí zǔ
    power supply/ˈpaʊə səˈplaɪ/ 电源 diàn yuán
    switch/swɪtʃ/ 开关 kāi guān
    fuse/fjuːz/ 保险丝 bǎo xiǎn sī
    thermistor/ˈθɜːmɪstə/ 热敏电阻 rè mǐn diàn zǔ
    light-dependent resistor/laɪt dɪˈpendənt rɪˈzɪstə/ 光敏电阻 guāng mǐn diàn zǔ
    light-emitting diode/laɪt ɪˈmɪtɪŋ ˈdaɪəʊd/ 发光二极管 fā guāng èr jí guǎn
    relay/ˈriːleɪ/ 继电器 jì diàn qì
    4.3

    Circuitos

    Syllabus

    4.3.1 Diagramas de circuitos y componentes del circuito

    Fundamental Complementario
    1 Dibujar e interpretar diagramas de circuitos que contengan pilas, baterías, fuentes de alimentación, generadores, divisores de potencial, interruptores, resistencias (fijas y variables), calentadores, termistores (solo NTC), fotorresistencias (LDR), lámparas, motores, campanas, amperímetros, voltímetros, bobinas de magnetización, transformadores, fusibles y relevadores, y conocer el comportamiento de estos componentes en el circuito 2 Dibujar e interpretar diagramas de circuitos que contengan diodos y diodos emisores de luz (LED) y conocer el comportamiento de estos componentes en el circuito

    4.3.2 Circuitos en serie y en paralelo

    Fundamental Complementario
    1 Saber que la corriente en cada punto de un circuito en serie es la misma 8 Recordar y utilizar en cálculos el hecho de que: (a) la suma de las corrientes que entran a una derivación en un circuito en paralelo es igual a la suma de las corrientes que salen de la derivación; (b) la diferencia de potencial total a través de los componentes en un circuito en serie es igual a la suma de las diferencias de potencial individuales a través de cada componente; (c) la diferencia de potencial a través de una disposición de resistencias en paralelo es la misma que la diferencia de potencial a través de una sola rama en la disposición de resistencias en paralelo
    2 Saber cómo construir y usar circuitos en serie y en paralelo
    3 Calcular la fuerza electromotriz combinada de varias fuentes en serie
    4 Calcular la resistencia combinada de dos o más resistencias en serie
    5 Establecer que, para un circuito en paralelo, la corriente de la fuente es mayor que la corriente en cada rama 9 Explicar que la suma de las corrientes que entran a una derivación es igual a la suma de las corrientes que salen de la derivación
    6 Establecer que la resistencia combinada de dos resistencias en paralelo es menor que la de cualquiera de las resistencias por sí sola 10 Calcular la resistencia combinada de dos resistencias en paralelo
    7 Enunciar las ventajas de conectar lámparas en paralelo en un circuito de iluminación

    4.3.3 Acción y uso de los componentes del circuito

    Fundamental Complementario
    1 Saber que la diferencia de potencial a través de un conductor eléctrico aumenta a medida que aumenta su resistencia para una corriente constante 2 Describir la acción de un divisor de potencial variable
    3 Recordar y utilizar la ecuación para dos resistencias utilizadas como divisor de potencial
    $$\frac{R_1}{R_2} = \frac{V_1}{V_2}$$

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Componentes del circuito

    Debes conocer estos componentes y cómo se comportan:

    Componente Función
    pila 电池 / batería 电池组 impulsa la corriente alrededor del circuito (una batería son dos o más pilas)
    fuente de alimentación 电源 una fuente de c.c. o c.a.
    interruptor 开关 interrumpe o completa el circuito
    resistor (fijo) proporciona una resistencia fija
    resistor variable una resistencia que puedes cambiar para controlar la corriente
    fusible 保险丝 se funde e interrumpe el circuito si la corriente es demasiado grande
    lámpara / calentador convierte la energía eléctrica en luz / en calor
    termistor 热敏电阻 su resistencia disminuye a medida que se calienta
    resistor dependiente de la luz 光敏电阻 (LDR) su resistencia disminuye a medida que aumenta la intensidad de la luz
    diodo / diodo emisor de luz 发光二极管 (LED) permite el paso de la corriente en una sola dirección; un LED también emite luz
    relé 继电器 un interruptor accionado por un electroimán (una pequeña corriente controla una grande)
    motor 电动机 convierte la energía eléctrica en movimiento
    campana 电铃 produce sonido
    transformador 变压器 cambia la magnitud de un voltaje de c.a.
    Un gráfico de símbolos de circuitos estándar: pila, batería, interruptor, lámpara, resistencia, resistencia variable, fusible, amperímetro, voltímetro, diodo, termistor, LDR, LED, motor, generador, fuente de c.a., divisor de potencial, relé, transformador y bobina de magnetización
    Los símbolos estándar utilizados para dibujar diagramas de circuitos
    Filas de pequeñas resistencias sujetas en cinta de papel, cada una con bandas de colores y dos patas de alambre
    Resistores reales: las bandas de colores indican la resistencia en ohmios de cada uno

    Serie y paralelo

    En un circuito en serie 串联, las partes forman un solo bucle:

    • la corriente es la misma en todos los puntos;
    • la d.p. (diferencia de potencial) del suministro se comparte entre los componentes;
    • las pilas en serie suman sus f.e.m. (cuando apuntan en la misma dirección);
    • los resistores en serie se suman: $R_{\text{total}} = R_1 + R_2 + \dots$

    En un circuito en paralelo 并联, las partes están en ramas separadas:

    • cada rama recibe la d.p. completa del suministro;
    • la corriente se divide, por lo que la corriente de la fuente es mayor que la corriente en cualquier rama individual;
    • la resistencia total 总电阻 es menor que la resistencia individual más pequeña.

    Las lámparas de un hogar están conectadas en paralelo: cada una recibe el voltaje completo, y si una falla, las demás permanecen encendidas.

    Un circuito en serie con dos lámparas en un bucle junto a un circuito en paralelo con dos lámparas en ramas separadas
    En un circuito en serie, los componentes comparten un bucle; en un circuito en paralelo, cada lámpara tiene su propia rama

    Para cálculos (con las reglas anteriores):

    • en un nudo 节点, la corriente total que entra es igual a la corriente total que sale;
    • en serie, la d.p. del suministro es igual a la suma de las d.p. a través de los componentes;
    • en paralelo, la d.p. a través de cada rama es la misma;
    • dos resistores en paralelo se combinan como
    $$\frac{1}{R_{\text{total}}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}$$

    Ejemplo resuelto. Un resistor $6\ \Omega$ y un resistor $3\ \Omega$ están conectados en paralelo. Encuentra su resistencia combinada.

    $$\frac{1}{R_{\text{total}}} = \frac{1}{6} + \frac{1}{3} = \frac{1}{6} + \frac{2}{6} = \frac{3}{6} = \frac{1}{2} \quad\Rightarrow\quad R_{\text{total}} = 2\ \Omega$$

    Observa que la resistencia combinada ($2\ \Omega$) es menor que la más pequeña de los dos resistores.

    Divisores de potencial

    Dos resistores en serie comparten el voltaje del suministro. Esto es un divisor de potencial 分压器. Para la misma corriente, una resistencia mayor tiene una mayor d.p. a través de ella, por lo que el resistor mayor toma la parte mayor:

    $$\frac{R_1}{R_2} = \frac{V_1}{V_2}$$

    Un divisor de potencial variable (o un resistor variable) te permite cambiar suavemente el voltaje de salida, por ejemplo, desde $0\ \text{V}$ hasta el voltaje completo del suministro. Si usas un termistor o un LDR como uno de los resistores, el voltaje de salida cambia con la temperatura o la luz — útil para encender y apagar automáticamente un calentador o una lámpara.

    Explorar

    Construye la corriente con la ley de Ohm

    Aumenta el voltaje y los electrones se aceleran, la bombilla brilla más; añade resistencia y la corriente disminuye. I = V/R, brillo = potencia.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    motor/ˈməʊtə/ 电动机 diàn dòng jī
    series/ˈsɪəriːz/ 串联 chuàn lián
    parallel/ˈpærəlel/ 并联 bìng lián
    total resistance/ˈtəʊtl rɪˈzɪstəns/ 总电阻 zǒng diàn zǔ
    junction/ˈdʒʌŋkʃn/ 节点 jié diǎn
    potential divider/pəˈtenʃl dɪˈvaɪdə/ 分压器 fēn yā qì
    hazard/ˈhæzəd/ 危险 wēi xiǎn
    insulation/ˌɪnsjuːˈleɪʃn/ 绝缘层 jué yuán céng
    overheating/ˌəʊvəˈhiːtɪŋ/ 过热 guò rè
    damp/dæmp/ 潮湿 cháo shī
    overloading/ˌəʊvəˈləʊdɪŋ/ 过载 guò zài
    socket/ˈsɒkɪt/ 插座 chā zuò
    live wire/laɪv ˈwaɪə/ 火线 huǒ xiàn
    neutral wire/ˈnjuːtrəl ˈwaɪə/ 零线 líng xiàn
    earth wire/ɜːθ ˈwaɪə/ 地线 dì xiàn
    fuse rating/fjuːz ˈreɪtɪŋ/ 额定值 é dìng zhí
    trip switch/trɪp swɪtʃ/ 跳闸开关 tiào zhá kāi guān
    casing/ˈkeɪsɪŋ/ 外壳 wài ké
    earthed/ɜːθt/ 接地 jiē dì
    double-insulated/ˈdʌbl ˈɪnsjuːleɪtɪd/ 双重绝缘 shuāng chóng jué yuán
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    4.4

    Seguridad eléctrica

    Syllabus
    Núcleo Suplemento
    1 Enunciar los peligros de: (a) aislamiento dañado (b) cables sobrecalentados (c) condiciones húmedas (d) exceso de corriente por sobrecarga de enchufes, prolongadoras, tomas de corriente individuales y múltiples cuando se utiliza una alimentación de red
    2 Saber que un circuito de red consta de un conductor de fase (conductor vivo), un conductor neutro y un conductor de tierra, y explicar por qué un interruptor debe conectarse al conductor de fase para que el circuito pueda desconectarse de forma segura
    3 Explicar el uso y funcionamiento de los interruptores automáticos y los fusibles, y elegir las clasificaciones adecuadas de fusibles y configuraciones de interruptores automáticos
    4 Explicar por qué la carcasa exterior de un aparato eléctrico debe ser no conductora (doble aislamiento) o estar conectada a tierra
    5 Enunciar que un fusible sin conductor de tierra protege el circuito y el cableado para un aparato con doble aislamiento

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    El suministro eléctrico de un hogar proviene de la red principal. La red principal es peligrosa si se usa incorrectamente.

    Peligros

    Estos son peligros 危险 (peligros) con la electricidad de la red:

    • aislamiento 绝缘层 dañado — los cables pelados pueden causar una descarga o iniciar un incendio;
    • cables sobrecalentados 过热 — demasiada corriente hace que un cable se caliente, lo cual puede iniciar un incendio;
    • condiciones de humedad 潮湿 — el agua permite que la corriente pase hacia una persona, aumentando el riesgo de una descarga;
    • sobrecarga 过载 — conectar muchos aparatos a un único enchufe 插座 extrae demasiada corriente.

    Fase, neutro y tierra

    Un cable de red tiene tres hilos:

    • el hilo de fase 火线 transporta el alto voltaje;
    • el hilo neutro 零cierra el circuito a aproximadamente cero voltaje;
    • el hilo de tierra 地线 es un hilo de seguridad conectado a tierra.

    Un interruptor (y un fusible) deben instalarse en el hilo de fase. De esta manera, cuando el interruptor está apagado, el aparato se desconecta del alto voltaje y es seguro tocarlo.

    Un enchufe trifásico cableado con el cable de tierra verde/amarillo arriba, el cable neutro azul a la izquierda y el cable activo marrón a la derecha con el fusible instalado en él
    En un enchufe de tres clavijas, la fase (marrón) y el neutro (azul) transportan la corriente, el tierra (verde/amarillo) es el hilo de seguridad, y el fusible siempre se coloca en el hilo de fase.

    Fusibles, interruptores automáticos y puesta a tierra

    Un fusible es un alambre fino que se funde si la corriente se vuelve demasiado grande, interrumpiendo el circuito antes de que el cable se sobrecaliente. Elige una clase de fusible 额定值 ligeramente superior a la corriente normal de trabajo — por ejemplo, un fusible de $13\ \text{A}$ para un aparato que normalmente consume unos $10\ \text{A}$.

    Un interruptor automático 跳闸开关 (interruptor de circuito) cumple la misma función pero actúa más rápido y puede reiniciarse en lugar de reemplazarse.

    La carcasa metálica carcasa 外壳 de un aparato debe hacerse segura de una de dos formas:

    • puesta a tierra 接地: la carcasa está conectada al hilo de tierra. Si un hilo de fase toca la carcasa, una gran corriente fluye a tierra y funde el fusible.
    • doble aislamiento 双重绝缘: la carcasa es de plástico, por lo que nunca puede volverse conductora bajo tensión. Tal aparato no necesita hilo de tierra; su fusible aún protege el cable.
    El interior de un cuadro de distribución doméstico mostrando una fila de interruptores automáticos miniatura y dos interruptores diferenciales (RCD)
    Una caja de distribución doméstica: cada MCB es un interruptor automático que corta su circuito cuando la corriente es demasiado grande; el RCD (80 A, 30 mA) corta incluso más rápido si detecta una falla a tierra
    Explorar

    Ruta de seguridad eléctrica

    Siga la corriente de falla y vea cómo los dispositivos de seguridad protegen a las personas.

    4.5

    Efectos electromagnéticos

    Syllabus

    4.5.1 Inducción electromagnética

    Básico Complemento
    1 Saber que un conductor que se mueve a través de un campo magnético o un campo magnético variable que enlaza con un conductor puede inducir una f.e.m. en el conductor 4 Saber que la dirección de una f.e.m. inducida se opone al cambio que la origina
    2 Describir un experimento para demostrar la inducción electromagnética 5 Enunciar y usar las direcciones relativas de fuerza, campo e corriente inducida
    3 Enunciar los factores que afectan la magnitud de una f.e.m. inducida

    4.5.2 El generador de c.a.

    Básico Complemento
    1 Describir una forma simple de generador de c.a. (bobina giratoria o imán giratorio) y el uso de anillos deslizantes y escobillas donde sea necesario
    2 Dibujar y analizar gráficas de f.e.m. frente al tiempo para generadores de c.a. simples y relacionar la posición de la bobina del generador con los picos, valles y ceros de la f.e.m.

    4.5.3 Efecto magnético de una corriente

    Básico Complemento
    1 Describir el patrón y la dirección del campo magnético debido a corrientes en hilos rectos y solenoides 4 Enunciar la variación cualitativa de la intensidad del campo magnético alrededor de hilos rectos y solenoides
    2 Describir un experimento para identificar el patrón del campo magnético (incluyendo la dirección) debido a corrientes en hilos rectos y solenoides
    3 Describir cómo se utiliza el efecto magnético de una corriente en relevadores y altavoces, y dar ejemplos de su aplicación 5 Describir el efecto sobre el campo magnético alrededor de hilos rectos y solenoides al cambiar la magnitud y dirección de la corriente

    4.5.4 Fuerza sobre un conductor parcido por corriente

    Básico Complemento
    1 Describir un experimento para mostrar que actúa una fuerza sobre un conductor parcido por corriente en un campo magnético, incluyendo el efecto de invertir: (a) la corriente (b) la dirección del campo 2 Recordar y usar las direcciones relativas de fuerza, campo magnético y corriente
    3 Determinar la dirección de la fuerza sobre haces de partículas cargadas en un campo magnético

    4.5.5 El motor de c.c.

    Básico Complemento
    1 Saber que una bobina parcida por corriente en un campo magnético puede experimentar un efecto de giro y que este efecto de giro aumenta al aumentar: (a) el número de vueltas en la bobina (b) la corriente (c) la intensidad del campo magnético 2 Describir el funcionamiento de un motor eléctrico, incluyendo la acción de un conmutador de anillo partido y escobillas

    4.5.6 El transformador

    Básico Complemento
    1 Describir la construcción de un transformador simple con núcleo de hierro blando, como se usa para transformaciones de tensión 6 Explicar el principio de funcionamiento de un transformador simple con núcleo de hierro
    2 Usar los términos primario, secundario, elevador y reductor
    3 Recordar y usar la ecuación
    $$\frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}$$
    donde p y s se refieren al primario y secundario
    7 Recordar y usar la ecuación para una eficiencia del 100% en un transformador
    $$I_p V_p = I_s V_s$$
    donde p y s se refieren al primario y secundario
    4 Describir el uso de transformadores en la transmisión de electricidad a alta tensión
    5 Enunciar las ventajas de la transmisión a alta tensión 8 Recordar y usar la ecuación
    $$P = I^2 R$$
    para explicar por qué las pérdidas de potencia en cables son menores cuando la tensión es mayor

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    El transformador: relación de vueltas
    Inducción electromagnética

    El efecto magnético de una corriente

    Una corriente en un alambre genera un campo magnético a su alrededor.

    • Alrededor de un alambre recto, las líneas de campo son círculos alrededor del alambre; el campo es más fuerte cerca del alambre. Invierte la corriente y el campo se invierte.
    • Un solenoide 螺线管 (una bobina larga bobina 线圈 de alambre) genera un campo idéntico al de un imán en barra, con un polo N en un extremo y un polo S en el otro. El campo interior es fuerte y uniforme.

    Puedes mostrar ambos patrones con limaduras de hierro o una brújula de trazado. El campo se hace más fuerte si aumentas la corriente, añades más vueltas o colocas un núcleo de hierro blando en el interior.

    Un cable recto con líneas de campo circulares a su alrededor, junto a un solenoide con un campo similar al de un imán de barra
    Una corriente produce líneas de campo circulares alrededor de un alambre recto, y un campo similar al de un imán de barra para un solenoide

    El efecto magnético se utiliza en un relé y en un altavoz. En un relé, una pequeña corriente en una bobina magnetiza un núcleo de hierro blando, que cierra un interruptor en un segundo circuito. El segundo circuito puede transportar una gran corriente, por lo que un interruptor pequeño o un sensor pueden controlar con seguridad un motor o un calefactor (por ejemplo, el interruptor de encendido de un automóvil arranca su motor a través de un relé). En un altavoz 扬声器, una corriente variable en una bobina hace que esta empuje y tire de un cono de papel, moviendo el aire y produciendo sonido.

    Inducción electromagnética

    Cuando un alambre se mueve a través de un campo magnético, o cuando cambia el campo a través de una bobina, se induce un f.e.m. en el alambre. Si el alambre forma parte de un circuito completo, este f.e.m. impulsa una corriente. Esto es inducción electromagnética 电磁感应.

    Para demostrarlo: mueve un imán dentro y fuera de una bobina conectada a un medidor sensible, y observa cómo parpadea la aguja. El f.e.m. inducido es mayor cuando usas un imán más fuerte, te mueves más rápido o usas más vueltas en la bobina. El f.e.m. inducido siempre actúa para oponerse al cambio que lo causa. La dirección de la corriente inducida está dada por la regla de la mano derecha de Fleming 弗莱明右手定则: mantén el pulgar, el dedo índice y el dedo medio de la mano derecha en ángulos rectos entre sí; el pulgar apunta en la dirección del movimiento del alambre, el dedo índice a lo largo del campo (de N a S), y el dedo medio indica entonces la corriente inducida.

    El generador de c.a.

    Un generador de c.a. 交流发电机 convierte el movimiento en electricidad. Una bobina gira en un campo magnético (o un imán gira cerca de una bobina). A medida que gira, el campo a través de la bobina sigue cambiando, por lo que se induce una f.e.m. alterna.

    • Anillos deslizantes 滑环 y cepillos de carbono brushes 电刷 transportan la corriente hacia el circuito mientras la bobina sigue girando.
    • El f.e.m. es máximo cuando la bobina está plana (moviéndose más rápido a través del campo) y cero cuando la bobina está vertical (moviéndose a lo largo del campo). Por lo tanto, la gráfica de f.e.m.–tiempo es una onda: pico, cero, pico opuesto, cero, por cada vuelta.
    Una bobina girando entre polos magnéticos, conectada mediante anillos deslizantes y cepillos, con una salida de corriente alterna en forma de onda sinusoidal
    Al girar la bobina se induce una f.e.m. alterna; los anillos deslizantes transportan la c.a. hacia el circuito

    Fuerza sobre un conductor con corriente

    Cuando un alambre con corriente se encuentra en un campo magnético, el campo del alambre y el campo del imán se empujan mutuamente, por lo que el alambre siente una fuerza. Este es el efecto motor.

    • Invierte la corriente, o invierte el campo, y la fuerza se invierte.
    • Haz que la corriente sea mayor o el campo más fuerte, y la fuerza será mayor.

    La fuerza, el campo y la corriente son perpendiculares entre sí. Puedes encontrar la dirección de la fuerza usando la regla de la mano izquierda de Fleming 弗莱明左手定则: pulgar = fuerza (movimiento), primer dedo = campo (N a S), segundo dedo = corriente.

    Demostración de la fuerza. Coloca un alambre de cobre rígido (o una tira de papel aluminio) entre los polos de un imán en U y conéctalo a una pila a través de un interruptor. Cuando fluye la corriente, el alambre salta hacia arriba o hacia abajo. Invierte la pila y el alambre salta en la otra dirección; voltea el imán y se invierte nuevamente. Una corriente mayor o un imán más fuerte produce un salto mayor.

    Un alambre portador de corriente entre dos polos magnéticos, con la fuerza perpendicular al campo y la corriente
    Un alambre con corriente en un campo magnético siente una fuerza perpendicular tanto al campo como a la corriente

    Un flujo móvil de partículas cargadas es una corriente, por lo que un campo magnético también lo desvía lateralmente — desvía 偏转 el haz. (Recuerda que los electrones fluyen en dirección opuesta a la corriente convencional.)

    El motor de c.c.

    Una bobina con corriente en un campo magnético siente un efecto de giro 转动效应, porque las fuerzas sobre sus dos lados actúan en direcciones opuestas. Esto es un motor de c.c. 直流电动机. El efecto de giro es mayor con más vueltas en la bobina, una corriente mayor o un campo más fuerte.

    Un conmutador de anillo partido 换向器 intercambia la dirección de la corriente en la bobina cada media vuelta. Esto mantiene la bobina girando en la misma dirección en lugar de detenerse después de media vuelta.

    Una bobina entre polos magnéticos con fuerzas opuestas en sus dos lados, un conmutador de anillo partido, cepillos y una batería
    Las fuerzas sobre los dos lados de la bobina forman un par; el conmutador de anillo partido mantiene el giro en una sola dirección
    Primer plano de cepillos de carbón sobre resortes presionando contra las barras de cobre del conmutador de una máquina de c.c.
    En una máquina de c.c. real, los cepillos de carbono presionan sobre las barras del conmutador de cobre para alimentar corriente a la bobina giratoria

    El transformador

    Un transformador cambia el tamaño de un voltaje de c.a. Tiene dos bobinas enrolladas en un núcleo de hierro blando 软铁芯:

    • la bobina primaria 原线圈 recibe el voltaje de c.a.;
    • la bobina secundaria 副线圈 entrega el voltaje modificado.

    La c.a. en la primaria produce un campo magnético variable en el núcleo. El núcleo transporta este campo a la secundaria, donde induce un f.e.m. de c.a. Los voltajes y los números de vueltas están relacionados mediante:

    $$\frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}$$

    Ejemplo resuelto. Un transformador tiene $1200$ vueltas en la bobina primaria y $100$ vueltas en la bobina secundaria. La primaria está conectada a una fuente de c.a. de $240\ \text{V}$. Encuentra el voltaje secundario.

    $$\frac{240}{V_s} = \frac{1200}{100} = 12 \quad\Rightarrow\quad V_s = \frac{240}{12} = 20\ \text{V}$$

    Menos vueltas en la secundaria, por lo que este es un transformador reductor.

    Un transformador: una bobina primaria y una secundaria enrolladas sobre un núcleo de hierro blando, con una fuente de c.a. en la primaria
    El campo variable en el núcleo acopla las dos bobinas; la relación de voltajes iguala la relación de vueltas
    Un transformador de metal gris fijado a un poste de electricidad de madera, con cables aislados gruesos conectados a él
    Un transformador real en un poste de distribución reduce el alto voltaje de los cables a un voltaje más seguro para los hogares

    Si la secundaria tiene más vueltas, es un transformador elevador 升压 (el voltaje aumenta); menos vueltas hacen un transformador reductor 降压 (el voltaje disminuye). Por ejemplo, un transformador que cambia de $240\ \text{V}$ a $12\ \text{V}$ es de tipo reductor, y la primaria tiene $20$ veces tantas vueltas como la secundaria.

    Si un transformador es 100% eficiente, la potencia de entrada es igual a la potencia de salida:

    $$I_p V_p = I_s V_s$$

    Por lo tanto, un transformador elevador aumenta el voltaje pero reduce la corriente.

    Por qué usamos alto voltaje para transmitir energía

    La electricidad se envía a través del país mediante transmisión de alta tensión 高压输电. La potencia perdida en forma de calor en los cables es

    $$P = I^2 R$$

    donde $R$ es la resistencia de los cables. Un transformador elevador aumenta el voltaje y, por tanto, reduce la corriente para la misma potencia ($P = IV$). Una corriente menor significa mucha menos potencia desperdiciada en los cables. Luego, un transformador reductor baja el voltaje nuevamente a un valor seguro antes de llegar a los hogares.

    Torres de acero tipo celosía transportando muchos cables a través de campos abiertos
    Los torres sostienen los cables que transportan electricidad a muy alto voltaje, lo que mantiene la corriente —y la potencia perdida— baja
    Explorar

    La fuerza que hace girar un motor

    Una corriente en un campo magnético es empujada perpendicularmente a ambos: si inviertes la corriente o volteas el imán, empuja en dirección opuesta. Eso es lo que hace girar un motor.

    Explorar

    El generador

    V = a sin(bt)

    Una bobina giratoria induce un voltaje senoidal — la salida de CA.

    Explorar

    Transformador

    Añadir vueltas al secundario para elevar el voltaje, menos para reducirlo — Vs/Vp = Ns/Np, exactamente así la red transporta energía de forma eficiente.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    electromagnet/ɪˌlektrəʊˈmæɡnɪt/ 电磁铁 diàn cí tiě
    electric charge/ɪˈlektrɪk tʃɑːdʒ/ 电荷 diàn hè
    positive charge/ˈpɒzɪtɪv tʃɑːdʒ/ 正电荷 zhèng diàn hè
    negative charge/ˈneɡətɪv tʃɑːdʒ/ 负电荷 fù diàn hè
    transformer/trænsˈfɔːmə/ 变压器 biàn yā qì
    solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ 螺线管 luó xiàn guǎn
    coil/kɔɪl/ 线圈 xiàn quān
    loudspeaker/ˈlaʊdspiːkə/ 扬声器 yáng shēng qì
    electromagnetic induction/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ɪnˈdʌkʃn/ 电磁感应 diàn cí gǎn yìng
    Fleming's right-hand rule/ˈflemɪŋz raɪt hænd ruːl/ 弗莱明右手定则 fú lái míng yòu shǒu dìng zé
    a.c. generator/ˌeɪ ˈsiː ˈdʒenəreɪtə/ 交流发电机 jiāo liú fā diàn jī
    slip rings/slɪp rɪŋz/ 滑环 huá huán
    brushes/ˈbrʌʃɪz/ 电刷 diàn shuā
    Fleming's left-hand rule/ˈflemɪŋz left hænd ruːl/ 弗莱明左手定则 fú lái míng zuǒ shǒu dìng zé
    deflect/dɪˈflekt/ 偏转 piān zhuǎn
    turning effect/ˈtɜːnɪŋ ɪˈfekt/ 转动效应 zhuǎn dòng xiào yìng
    d.c. motor/ˌdiː ˈsiː ˈməʊtə/ 直流电动机 zhí liú diàn dòng jī
    split-ring commutator/splɪt rɪŋ ˈkɒmjuːteɪtə/ 换向器 huàn xiàng qì
    soft-iron core/sɒft ˈaɪən kɔː/ 软铁芯 ruǎn tiě xīn
    primary coil/ˈpraɪməri kɔɪl/ 原线圈 yuán xiàn quān
    secondary coil/ˈsekəndəri kɔɪl/ 副线圈 fù xiàn quān
    step-up/step ʌp/ 升压 shēng yā
    step-down/step daʊn/ 降压 jiàng yā
    high-voltage transmission/haɪ ˈvəʊltɪdʒ trænˈsmɪʃn/ 高压输电 gāo yā shū diàn
    Ver lección
    4.5

    Consejos para el examen

    • La corriente es la misma en todas partes de un circuito en serie; en un circuito en paralelo, se divide entre las ramas. El voltaje (d.p.) se reparte en serie, pero es el mismo a través de cada rama en paralelo.
    • Añadir resistencias en serie aumenta la resistencia total ($R_1 + R_2$); añadirlas en paralelo hace que la total sea menor que la resistencia individual más pequeña.
    • Un amperímetro va conectado en serie y tiene una resistencia muy baja; un voltímetro va conectado en paralelo a través de un componente y tiene una resistencia muy alta.
    • En un transformador $\dfrac{V_p}{V_s} = \dfrac{N_p}{N_s}$: más vueltas en el secundario elevan el voltaje, menos lo reducen. Los transformadores solo funcionan con c.a.
    • La potencia se transmite por todo el país a alto voltaje para que la corriente —y el calor disipado en los cables, $P = I^2R$— sea pequeña.
    • Conecte el interruptor y el fusible en el cable vivo, y seleccione una clasificación de fusible ligeramente superior a la corriente normal de funcionamiento del electrodoméstico.
  • 5

    Física nuclear

    Ver lección
    5.1

    El átomo

    Syllabus

    5.1.1 El átomo

    Núcleo Complemento
    1 Describir la estructura de un átomo en términos de un núcleo con carga positiva y electrones con carga negativa orbitando alrededor del núcleo 3 Describir cómo la dispersión de partículas alfa ($\alpha$) por una lámina metálica fina apoya el modelo nuclear del átomo, proporcionando evidencia para: (a) un núcleo muy pequeño rodeado principalmente de espacio vacío (b) un núcleo que contiene la mayor parte de la masa del átomo (c) un núcleo con carga positiva
    2 Conocer cómo los átomos pueden formar iones positivos al perder electrones o iones negativos al ganar electrones

    5.1.2 El núcleo

    Núcleo Complemento
    1 Describir la composición del núcleo en términos de protones y neutrones 6 Describir los procesos de fisión nuclear y fusión nuclear como la división o unión de núcleos, incluyendo la ecuación nuclear y una descripción cualitativa de los cambios de masa y energía sin valores numéricos
    2 Indicar las cargas relativas de protones, neutrones y electrones como +1, 0 y –1 respectivamente 7 Conocer la relación entre el número de protones y la carga relativa del núcleo
    3 Definir los términos número atómico $Z$ y número másico $A$, y ser capaz de calcular el número de neutrones en un núcleo 8 Conocer la relación entre el número másico y la masa relativa del núcleo
    4 Utilizar la notación nuclear $^{A}_{Z}\text{X}$
    5 Explicar qué se entiende por isótopo e indicar que un elemento puede tener más de un isótopo

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Un átomo 原子 está formado por un pequeño núcleo 原子核 central con electrones 电子 que se mueven a su alrededor (en órbitas 轨道, como los planetas alrededor del Sol).

    • El núcleo tiene una carga 电荷 positiva.
    • Los electrones tienen carga negativa.
    • El átomo en su conjunto es neutro, porque las cargas positivas y negativas son iguales.

    Casi toda la masa 质量 está en el núcleo, pero el núcleo es muy pequeño en comparación con todo el átomo. Por lo tanto, un átomo es mayoritariamente espacio vacío.

    Un núcleo central de protones y neutrones con electrones moviéndose en órbitas circulares a su alrededor
    El átomo nuclear: un núcleo denso y pequeño de protones y neutrones, con electrones en órbitas a su alrededor

    Iones

    Un átomo es neutro, pero puede ganar o perder electrones para convertirse en un ión 离子.

    • Pierde uno o más electrones → un ion positivo (ahora hay más protones que electrones).
    • Gana uno o más electrones → un ion negativo.

    El experimento de dispersión alfa

    Este experimento proporcionó la evidencia para el modelo nuclear. Las partículas alfa α粒子 (pequeñas, rápidas, positivas) fueron disparadas contra una lámina de oro 金箔 muy fina, y se observó la dispersión 散射 (la forma en que rebotaban).

    Los resultados y lo que nos dicen:

    • Casi todas las partículas alfa pasaron rectas. → El átomo es mayoritariamente espacio vacío.
    • Algunas fueron desviadas 偏转 (curvadas) en ángulos pequeños. → El núcleo tiene carga positiva, lo que repele las partículas alfa positivas.
    • Muy pocas rebotaron casi directamente hacia atrás. → El núcleo es muy pequeño y muy pesado, y contiene la mayor parte de la masa del átomo.
    Partículas alfa disparadas contra una lámina de oro: la mayoría pasa directamente, algunas se desvían, muy pocas rebotan
    La mayoría de las partículas alfa pasan rectas; algunas son desviadas y muy pocas rebotan en el núcleo denso y pequeño
    Explorar

    Dentro del átomo

    Un núcleo pequeño y denso se encuentra en el centro con electrones en capas a su alrededor — arrastra el número de protones y observa cómo se llenan las capas hacia afuera.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    atom/ˈætəm/ 原子 yuán zi
    nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 原子核 yuán zǐ hé
    electron/ɪˈlektrɒn/ 电子 diàn zi
    orbit/ˈɔːbɪt/ 轨道 guǐ dào
    charge/tʃɑːdʒ/ 电荷 diàn hè
    mass/mæs/ 质量 zhì liàng
    scattering/ˈskætərɪŋ/ 散射 sǎn shè
    deflected/dɪˈflektɪd/ 偏转 piān zhuǎn
    dose/dəʊs/ 剂量 jì liàng
    exposure/ekˈspəʊʒə/ 照射 zhào shè
    shielding/ˈʃiːldɪŋ/ 屏蔽 píng bì
    5.1

    Dentro del núcleo

    El núcleo está compuesto por dos tipos de partículas, llamadas conjuntamente nucleones 核子:

    • protones 质子, que tienen una carga relativa 相对 de $+1$;
    • neutrones 中子, que tienen una carga relativa de $0$ (son neutros).

    Un electrón tiene una carga relativa de $-1$. Un protón y un neutrón tienen cada uno una masa relativa de aproximadamente $1$; un electrón es casi sin masa en comparación.

    Dos números describen un núcleo:

    • el número atómico 质子数 $Z$ (también llamado número de protones) — el número de protones;
    • el número másico 核子数 $A$ (también llamado número de masa) — el número de protones más neutrones.

    Por lo tanto, el número de neutrones es $A - Z$.

    Escribimos un núcleo en notación de nuclido 核素:

    $$^{A}_{Z}\text{X}$$

    donde X es el símbolo químico. Por ejemplo, $^{197}_{\ 79}\text{Au}$ tiene $79$ protones y $197 - 79 = 118$ neutrones. La carga relativa de todo el núcleo es simplemente $+Z$ (aquí $+79$), y su masa relativa es de aproximadamente $A$.

    Isótopos

    Los isótopos 同位素 son átomos del mismo elemento (el mismo $Z$) pero con diferente número de neutrones (diferente $A$). Se comportan igual en química pero diferente en el núcleo. Por ejemplo, $^{12}_{\ 6}\text{C}$ y $^{14}_{\ 6}\text{C}$ son ambos carbono.

    Dos núcleos de carbono: carbono-12 con seis protones y seis neutrones, carbono-14 con seis protones y ocho neutrones
    Los isótopos de carbono tienen los mismos seis protones pero diferente número de neutrones, por lo que son el mismo elemento con diferente masa

    Fisión y fusión nuclear

    En la fisión nuclear 核裂变, un núcleo pesado absorbe un neutrón y luego se divide en dos núcleos más pequeños, liberando dos o tres neutrones y mucha energía 能量:

    $$^{235}_{\ 92}\text{U} + ^{1}_{0}\text{n} \rightarrow\ ^{141}_{\ 56}\text{Ba} + ^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$$
    Un neutrón golpeando un núcleo U-235, que se divide en Ba y Kr más otros neutrones y energía
    Un neutrón divide un núcleo de U-235 en dos núcleos más pequeños, liberando más neutrones y energía

    Los números superiores (números másicos) se equilibran en ambos lados, y lo mismo ocurre con los números inferiores (números atómicos). Puedes usar esto para encontrar un número faltante —por ejemplo, cuántos neutrones se liberan.

    En la fusión nuclear 核聚ver, dos núcleos ligeros se unen para formar uno más pesado, también liberando energía. Así es como el Sol produce su energía, uniendo núcleos de hidrógeno 氢 para formar helio 氦. La reacción de abajo —dos formas pesadas del hidrógeno (deuterio y tritio) uniéndose para formar helio— es la que se utiliza en reactores de fusión en la Tierra:

    $$^{2}_{1}\text{H} + ^{3}_{1}\text{H} \rightarrow\ ^{4}_{2}\text{He} + ^{1}_{0}\text{n}$$
    Dos núcleos pequeños de hidrógeno uniéndose para formar un núcleo de helio, además de un neutrón y energía
    En la fusión, dos núcleos ligeros se unen para formar uno más pesado, liberando un neutrón y energía —la reacción deuterio-tritio utilizada en reactores de fusión

    Tanto en la fisión como en la fusión, una pequeña cantidad de masa se pierde y se convierte en energía.

    Dos grandes torres de refrigeración de una central nuclear junto a un río, emitiendo nubes blancas de vapor
    Una central nuclear utiliza la energía de la fisión para generar electricidad; las torres liberan calor residual en forma de vapor
    Explorar

    La reacción en cadena de fisión

    Un neutrón divide un núcleo de uranio, lo que libera energía Y más neutrones — estos dividen más núcleos, y así sucesivamente.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    nucleon/ˈnjuːklɪən/ 核子 hé zǐ
    proton/ˈprəʊtɒn/ 质子 zhì zi
    relative/ˈrelətɪv/ 相对 xiāng duì
    neutron/ˈnjuːtrɒn/ 中子 zhōng zǐ
    proton number/ˈprəʊtɒn ˈnʌmbə/ 质子数 zhì zǐ shù
    nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ 核子数 hé zǐ shù
    nuclide/ˈnjuːklaɪd/ 核素 hé sù
    isotope/ˈaɪsətəʊp/ 同位素 tóng wèi sù
    nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ 核裂变 hé liè biàn
    energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
    nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ 核聚变 hé jù biàn
    hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ 氢 qīng
    helium/ˈhiːlɪəm/ 氦 hài
    unstable/ʌnˈsteɪbl/ 不稳定 bù wěn dìng
    radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 辐射 fú shè
    5.2

    Radioactividad

    Syllabus

    5.2.1 Detección de radiactividad

    Núcleo Suplemento
    1 Conocer el significado de radiación de fondo
    2 Conocer las fuentes que contribuyen significativamente a la radiación de fondo, incluidas: (a) gas radón (en el aire) (b) rocas y edificios (c) alimentos y bebidas (d) rayos cósmicos
    3 Conocer que la radiación nuclear ionizante se puede medir utilizando un detector conectado a un contador 4 Utilizar la tasa de conteo medida en conteos / s o conteos / minuto

    5.2.2 Los tres tipos de emisión nuclear

    Núcleo Suplemento
    1 Describir la emisión de radiación desde un núcleo como espontánea y aleatoria en dirección
    2 Identificar las emisiones alfa ($\alpha$), beta ($\beta$) y gamma ($\gamma$) del núcleo recordando: (a) su naturaleza (b) sus efectos de ionización relativos (c) sus capacidades de penetración relativas ($\beta^+$ no están incluidos, $\beta$-partículas se tomarán para referirse a $\beta^-$) 3 Describir la desviación de partículas $\alpha$, partículas $\beta$ y radiación $\gamma$ en campos eléctricos y campos magnéticos
    4 Explicar sus efectos de ionización relativos con referencia a: (a) energía cinética (b) carga eléctrica

    5.2.3 Desintegración radiactiva

    Núcleo Suplemento
    1 Conocer que la desintegración radiactiva es un cambio en un núcleo inestable que puede resultar en la emisión de partículas $\alpha$ o partículas $\beta$ y/o radiación $\gamma$, y conocer que estos cambios son espontáneos y aleatorios 3 Conocer que los isótopos de un elemento pueden ser radiactivos debido a un exceso de neutrones en el núcleo y/o a que el núcleo sea demasiado pesado
    2 Indicar que durante la desintegración $\alpha$ o $\beta$, el núcleo cambia al de un elemento diferente 4 Describir el efecto de la desintegración $\alpha$, desintegración $\beta$ y emisiones $\gamma$ sobre el núcleo, incluyendo un aumento en la estabilidad y una reducción en el número de neutrones en exceso; ocurre el siguiente cambio en el núcleo durante la emisión $\beta$: neutrón $\rightarrow$ protón + electrón
    5 Utilizar ecuaciones de desintegración, usando notación de nuclidos, para mostrar la emisión de partículas $\alpha$, partículas $\beta$ y radiación $\gamma$

    5.2.4 Vida media

    Núcleo Suplemento
    1 Definir la vida media de un isótopo particular como el tiempo necesario para que la mitad de los núcleos de ese isótopo en cualquier muestra se desintegren; recordar y utilizar esta definición en cálculos simples, que pueden incluir información en tablas o curvas de desintegración (los cálculos no incluirán radiación de fondo) 2 Calcular la vida media a partir de datos o curvas de desintegración de los cuales no se ha restado la radiación de fondo
    3 Explicar cómo el tipo de radiación emitida y la vida media de un isótopo determinan qué isótopo se utiliza para aplicaciones tales como: (a) alarmas contra incendios domésticas (detectores de humo) (b) irradiación de alimentos para matar bacterias (c) esterilización de equipos mediante rayos gamma (d) medición y control de espesores de materiales con la elección de radiaciones vinculada a la penetración y absorción (e) diagnóstico y tratamiento del cáncer mediante rayos gamma

    5.2.5 Medidas de seguridad

    Núcleo Suplemento
    1 Indicar los efectos de las radiaciones nucleares ionizantes sobre los seres vivos, incluyendo muerte celular, mutaciones y cáncer
    2 Describir cómo los materiales radiactivos se mueven, utilizan y almacenan de forma segura 3 Explicar las medidas de seguridad para toda la radiación ionizante en términos de reducir el tiempo de exposición, aumentar la distancia entre la fuente y el tejido vivo y utilizar blindajes para absorber la radiación

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    Desintegración radiactiva y vida media

    Un núcleo inestable 不稳定 tarde o temprano se descompondrá y emitirá radiación 辐射. Esto es desintegración 衰变 radioactiva 放射性. Un núcleo puede ser inestable porque tiene demasiados neutrones, o porque es demasiado pesado.

    La desintegración es espontánea 自发 (sucede por sí sola, y no se puede acelerar ni frenar) y aleatoria 随机 (no se puede decir qué núcleo se desintegrará después, ni exactamente cuándo).

    Radiación de fondo

    Hay radiación a nuestro alrededor todo el tiempo. Esta es la radiación de fondo 背景辐射. Sus principales fuentes son:

    • gas radón 氡 en el aire (generalmente la fuente más grande);
    • rocas y edificios;
    • alimentos y bebidas;
    • rayos cósmicos 宇宙射线 del espacio.

    Medición de la radiación

    La radiación se puede medir con un detector 探测器 conectado a un contador 计数器. La tasa de conteo 计数率 es el número de conteos por segundo (o por minuto).

    Para obtener la tasa de conteo real de una fuente, primero mida la tasa de conteo de fondo por separado, luego sústráyala. La respuesta es la tasa de conteo corregida 修正:

    $$\text{corrected count rate} = \text{measured count rate} - \text{background count rate}$$

    Ejemplo resuelto. Un detector colocado junto a una fuente marca $250$ conteos/min. Con la fuente retirada, la tasa de conteo de fondo es de $30$ conteos/min. Encuentre la tasa de conteo corregida.

    $$250 - 30 = 220\ \text{counts/min}$$
    Un contador Geiger portátil con un tubo detector y una pequeña pantalla que muestra la tasa de conteo
    Un contador Geiger portátil detecta radiación ionizante y muestra la tasa de conteo en su pantalla
    Explorar

    Desintegración radiactiva

    N = N₀·bᵗ

    El número de núcleos inestables decae exponencialmente.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    radioactive/ˌreɪdɪəʊˈæktɪv/ 放射性 fàng shè xìng
    decay/dɪˈkeɪ/ 衰变 shuāi biàn
    spontaneous/spɒnˈteɪnɪəs/ 自发 zì fā
    random/ˈrændəm/ 随机 suí jī
    background radiation/ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 背景辐射 bèi jǐng fú shè
    radon/ˈreɪdɒn/ 氡 dōng
    cosmic rays/ˈkɒzmɪk reɪz/ 宇宙射线 yǔ zhòu shè xiàn
    detector/dɪˈtektə/ 探测器 tàn cè qì
    counter/ˈkaʊntə/ 计数器 jì shù qì
    count rate/kaʊnt reɪt/ 计数率 jì shù lǜ
    corrected/kəˈrektɪd/ 修正 xiū zhèng
    ionising/ˈaɪənaɪzɪŋ/ 电离 diàn lí
    aluminium/ˌæljʊˈmɪnɪəm/ 铝 lǚ
    electromagnetic wave/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk weɪv/ 电磁波 diàn cí bō
    lead/liːd/ 铅 qiān
    penetrating/ˈpenɪtreɪtɪŋ/ 穿透 chuān tòu
    absorbed/əbˈsɔːbd/ 吸收 xī shōu
    beta particle/ˈbiːtə ˈpɑːtɪkl/ β粒子 β lì zi
    gamma radiation/ˈɡæmə ˌreɪdɪˈeɪʃn/ γ射线 γ shè xiàn
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng
    electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ 电场 diàn chǎng
    magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ 磁场 cí chǎng
    stable/ˈsteɪbl/ 稳定 wěn dìng
    sample/ˈsæmpl/ 样品 yàng pǐn
    half-life/hɑːf laɪf/ 半衰期 bàn shuāi qī
    smoke alarm/sməʊk əˈlɑːm/ 烟雾报警器 yān wù bào jǐng qì
    Ver lección
    5.2

    Los tres tipos de radiación

    La radiación puede ser de uno de tres tipos. Cada tipo es ionizante 电离, lo que significa que puede arrancar electrones de los átomos en su camino.

    Tipo Qué es Efecto ionizante Lo detiene
    alfa (α) un núcleo de helio: 2 protones + 2 neutrones, carga $+2$ más fuerte una hoja de papel, o unos pocos cm de aire
    beta (β) un electrón en movimiento rápido, carga $-1$ medio unos pocos mm de aluminio 铝
    gamma (γ) una onda electromagnética de alta energía 电磁波, sin carga más débil plomo grueso 铅 o hormigón (solo se reduce, nunca se detiene completamente)

    Así que una partícula alfa es la más ionizante pero la menos penetrante 穿透 (se absorbe fácilmente). Una partícula beta β粒子 está a mitad de camino. La radiación gamma γ射线 es la menos ionizante pero la más penetrante.

    Alfa detenido por papel, beta detenido por aluminio, gamma solo reducido por plomo
    El papel detiene la alfa, unos milímetros de aluminio detienen la beta, y el plomo grueso solo reduce la gamma

    Podemos explicar los efectos de ionización desde la carga y la energía cinética 动能: una partícula alfa tiene una gran carga ($+2$) y es lenta y pesada, por lo que atrae con fuerza a los electrones que encuentra e ioniza mucho. Una partícula beta tiene una carga menor y se mueve más rápido, por lo que ioniza menos.

    Desviación en campos

    Como las partículas alfa y beta tienen carga, son desviadas por un campo eléctrico 电场 y por un campo magnético 磁场. Se curvan en direcciones opuestas, porque sus cargas tienen signos opuestos, y la partícula beta más ligera se curva más. Los rayos gamma no tienen carga, por lo que no se desvían en absoluto.

    Alfa desviándose en una dirección, beta desviándose en la otra dirección y más, gamma yendo recto entre dos placas cargadas
    La alfa y la beta se curvan en direcciones opuestas; la beta más ligera se curva más, y la gamma sin carga no se desvía
    5.2

    Ecuaciones de desintegración

    Cuando un núcleo se desintegra, los números de nucleones y protones deben estar equilibrados en ambos lados.

    Desintegración alfa — el núcleo pierde 2 protones y 2 neutrones, por lo que $A$ disminuye en $4$ y $Z$ disminuye en $2$. Se convierte en un elemento diferente:

    $$^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow\ ^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + ^{4}_{2}\alpha$$

    Ejemplo resuelto. Un núcleo de radio $^{226}_{\ 88}\text{Ra}$ emite una partícula alfa. Encuentra el número de nucleones y el número de protones del nuevo núcleo.

    La desintegración alfa reduce $A$ en $4$ y $Z$ en $2$:

    $$^{226}_{\ 88}\text{Ra} \rightarrow\ ^{222}_{\ 86}\text{Rn} + ^{4}_{2}\alpha$$

    Así que el nuevo núcleo (radón) tiene un número de nucleones de $222$ y un número de protones de $86$.

    Desintegración beta — dentro del núcleo, un neutrón cambia en un protón más un electrón:

    $$\text{neutron} \rightarrow \text{proton} + \text{electron}$$

    El electrón rápido sale como la partícula beta. Así que $A$ permanece igual pero $Z$ aumenta en $1$, dando lugar a un elemento diferente:

    $$^{24}_{11}\text{Na} \rightarrow\ ^{24}_{12}\text{Mg} + ^{\ \ 0}_{-1}\beta$$

    Emisión gamma — el núcleo solo pierde energía, por lo que $A$ y $Z$ no cambian. La desintegración alfa y beta dejan el núcleo más estable 稳定; a menudo se emite gamma al mismo tiempo para llevarse la energía sobrante.

    5.2

    Vida media

    Como la desintegración es aleatoria, no podemos seguir un solo núcleo. En su lugar, describimos una gran muestra 样品 usando su vida media.

    La vida media 半衰期 de un isótopo es el tiempo necesario para que la mitad de los núcleos inestables de una muestra se desintegren. Después de cada vida media, la tasa de conteo (o el número de núcleos inestables restantes) se reduce a la mitad.

    Por ejemplo, si una fuente tiene una tasa de conteo de $800$ cuentas/min y una vida media de $3$ horas:

    Tiempo / horas 0 3 6 9
    Tasa de conteo / (cuentas/min) 800 400 200 100

    Después de $6$ horas (dos vidas medias), la tasa de conteo se ha reducido a la mitad dos veces: $800 \to 400 \to 200$. Puedes leer una vida media en una gráfica de desintegración encontrando el tiempo para que la tasa de conteo baje de cualquier valor a la mitad de este. Si las lecturas incluyen radiación de fondo, resta la tasa de conteo de fondo de cada lectura primero, luego encuentra la vida media a partir de los valores corregidos.

    Ejemplo resuelto. La actividad de una fuente baja de $800$ cuentas/min a $100$ cuentas/min. Su vida media es de $5$ días. ¿Cuánto tiempo tardó esto?

    Cuenta los dobleces: $800 \to 400 \to 200 \to 100$ son tres semividas, por lo que el tiempo es $3 \times 5 = 15\ \text{days}$.

    Una curva de desintegración de tasa de conteo frente a tiempo, reduciéndose a la mitad en cada vida media
    Cada semivida $T$ la tasa de conteo se reduce a la mitad: $N_0 \to N_0/2 \to N_0/4 \to N_0/8$
    Explorar

    Semivida — observa la desintegración de los núcleos

    Cada núcleo tiene una probabilidad fija de desintegrarse, al azar. Avanza en el tiempo: aproximadamente la mitad de los núcleos restantes se desintegran cada semivida, por lo que el conteo se reduce a la mitad, luego a la mitad nuevamente.

    5.2

    Aplicaciones de la radiactividad

    El isótopo elegido para una tarea depende de su tipo de radiación y de su semivida:

    • Detectores de humo 烟雾报警器 usan una fuente alfa (la alfa se bloquea fácilmente, por lo que es segura fuera del detector, y una semivida larga significa que dura años);
    • usar radiación en alimentos o equipos mata las bacterias 细菌 y gérmenes — esto necesita rayos gamma penetrantes para esterilizar 消毒 el artículo sellado;
    • medir y controlar el espesor de hojas de papel o metal usa una fuente beta (la cantidad que pasa a través cambia con el espesor);
    • un trazador médico 医用示踪剂 es una pequeña cantidad de un isótopo emisor de gamma con semivida corta, inyectado en el cuerpo: un detector fuera del cuerpo sigue su trayectoria, los rayos gamma escapan fácilmente del cuerpo, y la actividad disminuye rápidamente hasta un nivel seguro;
    • los rayos gamma se usan para detectar y tratar el cáncer 癌症 dentro del cuerpo, porque pueden atravesar (o entrar en) el cuerpo.
    Un paciente mantenido inmóvil por una máscara de malla bajo una máquina de radioterapia, con láseres verdes de alineación cruzando la máscara
    Radioterapia: una máscara de malla mantiene al paciente inmóvil mientras láseres de alineación dirigen los rayos gamma con precisión hacia un tumor para tratar el cáncer
    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    bacteria/bækˈtɪərɪə/ 细菌 xì jūn
    sterilise/ˈsterəlaɪz/ 消毒 xiāo dú
    medical tracer/ˈmedɪkl ˈtreɪsə/ 医用示踪剂 yī yòng shì zōng jì
    cancer/ˈkænsə/ 癌症 ái zhèng
    living cells/ˈlɪvɪŋ selz/ 细胞 xì bāo
    mutation/mjuːˈteɪʃn/ 突变 tū biàn
    5.2

    Seguridad

    La radiación ionizante daña las células vivas 细胞. Puede causar muerte celular, mutaciones 突变 (cambios en los genes) y cáncer.

    Al trabajar con fuentes radiactivas, mantén la dosis 剂量 (la cantidad de radiación recibida) baja mediante:

    • reducir el tiempo de exposición 照射 — pasar lo menos posible cerca de la fuente;
    • aumentar la distancia entre tú y la fuente;
    • usar blindaje 屏蔽, como plomo, entre la fuente y tu cuerpo.

    Las fuentes radiactivas deben manipularse con pinzas (no con las manos desnudas), mantenerse apuntando lejos de las personas y almacenarse en una caja revestida de plomo.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    ion/ˈaɪɒn/ 离子 lí zi
    alpha particle/ˈælfə ˈpɑːtɪkl/ α粒子 α lì zi
    gold foil/ɡəʊld fɔɪl/ 金箔 jīn bó
    5.2

    Consejos para el examen

    • El número nucleónico (arriba) es protones + neutrones; el número atómico (abajo) son solo los protones. Número de neutrones = número nucleónico − número atómico.
    • Los isótopos tienen el mismo número atómico pero diferentes números nucleónicos — el mismo elemento con diferente número de neutrones.
    • Clasifica las radiaciones de dos formas: la alfa es la más ionizante pero menos penetrante (detenida por papel); la gamma es la menos ionizante pero más penetrante (requiere plomo grueso). La beta está en medio (detenida por unos milímetros de aluminio).
    • En cada ecuación de desintegración, los números superiores deben equilibrarse y los números inferiores deben equilibrarse. Desintegración alfa: $A-4$, $Z-2$. Desintegración beta: $A$ sin cambios, $Z+1$.
    • Siempre resta la tasa de fondo antes de usar las lecturas de una fuente. Después de $n$ semividas, la tasa de conteo se ha reducido a la mitad $n$ veces — cuenta los dobleces en lugar de adivinar a partir del tiempo total.
  • 6

    Física espacial

    Ver lección
    6.1

    La Tierra, el Sol y la Luna

    Syllabus

    6.1.1 La Tierra

    Núcleo Suplemento
    1 Saber que la Tierra es un planeta que rota sobre su eje, el cual está inclinado, una vez en aproximadamente 24 horas, y usar esto para explicar las observaciones del movimiento aparente diario del Sol y el ciclo periódico de día y noche
    2 Saber que la Tierra orbita al Sol una vez en aproximadamente 365 días y usar esto para explicar la naturaleza periódica de las estaciones 4 Definir la velocidad orbital promedio a partir de la ecuación $v = \frac{2\pi r}{T}$ donde $r$ es el radio promedio de la órbita y $T$ es el período orbital; recordar y usar esta ecuación
    3 Saber que tarda aproximadamente un mes en la Luna orbitar la Tierra y usar esto para explicar la naturaleza periódica del ciclo de fases lunares

    6.1.2 El Sistema Solar

    Núcleo Suplemento
    1 Describir el Sistema Solar como containing: (a) una estrella, el Sol (b) los ocho planetas nombrados y conocer su orden respecto al Sol (c) planetas menores que orbitan al Sol, incluyendo planetas enanos como Plutón y asteroides en el cinturón de asteroides (d) satélites que orbitan los planetas (e) cuerpos menores del Sistema Solar, incluyendo cometas y satélites naturales 7 Saber que los planetas, planetas menores y cometas tienen órbitas elípticas, y recordar que el Sol no se encuentra en el centro de la órbita elíptica, excepto cuando la órbita es aproximadamente circular
    8 Analizar e interpretar datos planetarios sobre distancia orbital, duración orbital, densidad, temperatura superficial y campo gravitatorio uniforme en la superficie del planeta
    2 Saber que, en comparación entre sí, los cuatro planetas más cercanos al Sol son rocosos y pequeños, y los cuatro planetas más lejanos al Sol son gaseosos y grandes, y explicar esta diferencia mediante un modelo de acreción para la formación del Sistema Solar, que incluye: (a) la dependencia del modelo en la gravedad (b) la presencia de muchos elementos en nubes interestelares de gas y polvo (c) la rotación del material en la nube y la formación de un disco de acreción
    3 Saber que la intensidad del campo gravitatorio (a) en la superficie de un planeta depende de la masa del planeta (b) alrededor de un planeta disminuye a medida que aumenta la distancia desde el planeta
    4 Calcular el tiempo que tarda la luz en recorrer una distancia significativa, tal como entre objetos en el Sistema Solar
    5 Saber que el Sol contiene la mayor parte de la masa del Sistema Solar y que esto explica por qué los planetas orbitan al Sol
    6 Saber que la fuerza que mantiene un objeto en órbita alrededor del Sol es la atracción gravitatoria del Sol 9 Saber que la intensidad del campo gravitatorio del Sol disminuye y que las velocidades orbitales de los planetas disminuyen a medida que aumenta la distancia al Sol
    10 Saber que un objeto en una órbita elíptica viaja más rápido cuando está más cerca del Sol y explicar esto utilizando la conservación de la energía

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    La Tierra gira (rotación 自转) sobre su eje 轴 una vez en aproximadamente $24$ horas. El eje está inclinado (no está recto). Este giro nos da el día y la noche, y hace que el Sol 太阳 parezca moverse por el cielo cada día.

    La Tierra también se mueve alrededor del Sol en una órbita 轨道, una vez en aproximadamente $365$ días (un año). Debido a que el eje está inclinado, diferentes partes de la Tierra se inclinan hacia el Sol en diferentes momentos del año. Esto produce las estaciones 季节: es verano en la mitad de la Tierra que se inclina hacia el Sol.

    La Tierra inclinada en dos puntos de su órbita: el norte inclinado hacia el Sol, y medio año después inclinado en dirección opuesta
    El eje mantiene la misma inclinación durante todo el año, por lo que cada hemisferio se inclina hacia el Sol durante la primera mitad de la órbita y en dirección opuesta durante la segunda

    La Luna 月球 orbita la Tierra una vez en aproximadamente un mes. A medida que gira, vemos diferentes cantidades de su lado iluminado, lo que produce las fases 月相 de la Luna (luna nueva, luna media, luna llena).

    La Luna en cuatro puntos alrededor de su órbita de la Tierra, con la mitad orientada al Sol iluminada en cada caso
    La mitad iluminada de la Luna siempre mira al Sol, por lo que a medida que orbita vemos diferentes cantidades de ella: luna nueva entre nosotros y el Sol, luna llena en dirección opuesta al Sol, y lunas medias intermedias

    Así que, de menor a mayor duración: un día (giro de la Tierra) < un mes (órbita de la Luna) < un año (órbita de la Tierra).

    El disco gris completo de la Luna, cubierto de manchas oscuras y cráteres brillantes contra el espacio negro
    Luna llena, satélite natural de la Tierra
    Explorar

    Por qué cambia la forma de la Luna

    El Sol ilumina siempre la mitad de la Luna; la fase es simplemente cuánto de esa mitad iluminada nos mira mientras orbita — no es la sombra de la Tierra.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    seasons/ˈsiːznz/ 季节 jì jié
    Moon/muːn/ 月球 yuè qiú
    phases/ˈfeɪzɪz/ 月相 yuè xiàng
    circumference/sɜːˈkʌmfrəns/ 周长 zhōu cháng
    orbital speed/ˈɔːbɪtl spiːd/ 轨道速率 guǐ dào sù lǜ
    6.1

    Velocidad orbital

    Para un objeto que se mueve en un círculo, la distancia para una órbita completa es la circunferencia 周长 $2\pi r$, donde $r$ es el radio de la órbita. La velocidad orbital 轨道速率 es esta distancia dividida por el período 周期 $T$ (el tiempo para una órbita):

    $$v = \frac{2\pi r}{T}$$

    La misma ecuación funciona para planetas, lunas y satélites.

    Ejemplo resuelto. Una estación espacial orbita la Tierra a un radio de $r = 7000\ \text{km}$ y tarda $T = 5800\ \text{s}$ en completar una órbita. Calcule su velocidad orbital.

    Primero convierta el radio a metros: $7000\ \text{km} = 7.0 \times 10^6\ \text{m}$. Entonces

    $$v = \frac{2\pi r}{T} = \frac{2\pi \times 7.0 \times 10^6}{5800} \approx 7600\ \text{m/s}$$
    La ISS en órbita: la velocidad orbital es la velocidad que mantiene a un satélite en movimiento circular en caída libre
    La ISS en órbita: la velocidad orbital es la velocidad que mantiene a un satélite en movimiento circular en caída libre
    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    orbit/ˈɔːbɪt/ 轨道 guǐ dào
    6.1

    El Sistema Solar

    El Sistema Solar 太阳系 tiene una estrella, el Sol, en su centro. Alrededor de él giran los ocho planetas 行星. En orden desde el Sol son: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.

    • Los cuatro planetas más cercanos al Sol son pequeños y rocosos 岩石.
    • Los cuatro planetas más lejanos al Sol son grandes y gaseosos 气态 — están hechos principalmente de gas 气体, sin superficie sólida sobre la cual pararse.
    • Los dos gigantes más cercanos, Júpiter y Saturno, son gigantes gaseosos 气态巨行星. Los dos gigantes exteriores, Urano y Neptuno, son gigantes de hielo 冰巨行星: contienen mucho más hielo, por lo que no son verdaderos gigantes gaseosos.
    El Sol con Mercurio, Venus, Tierra y Marte, luego el cinturón de asteroides, seguido de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno
    El Sol y sus ocho planetas en orden: cuatro pequeños planetas rocosos, luego el cinturón de asteroides, seguidos de cuatro grandes planetas gaseosos — los gigantes gaseosos Júpiter y Saturno y los gigantes de hielo Urano y Neptuno (no a escala)
    El disco rojo completo de Marte contra el espacio negro, con marcas de superficie más oscuras y una fina neblina polar
    Marte, el planeta rojo, uno de los planetas rocosos interiores
    El disco completo de Júpiter mostrando bandas de nubes marrones y blancas y la Gran Mancha Roja naranja
    Júpiter, el planeta más grande, con sus bandas giratorias de gas
    Saturno con su amplio y plano sistema de anillos, fotografiado de perfil por la nave Cassini
    Saturno y sus anillos, fotografiados por la nave Cassini

    El Sistema Solar también contiene:

    • planetas menores, como planetas enanos 矮行星 como Plutón, y asteroides 小行星 (la mayoría se encuentran en el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter);
    • lunas (satélites naturales satélites 卫星) que orbitan los planetas;
    • cometas 彗星 y otros cuerpos pequeños.

    Órbitas y gravedad

    El Sol concentra la mayor parte de la masa del Sistema Solar. Su gravedad 引力 (atracción gravitatoria) se extiende y mantiene a los planetas en sus órbitas. Esta fuerza es la atracción gravitatoria del Sol.

    La intensidad del campo gravitatorio 重力场强度 indica qué tan fuerte es la gravedad:

    • en la superficie de un planeta es mayor para un planeta con más masa;
    • alrededor de un planeta disminuye a medida que se aleja.

    De manera similar, la gravedad del Sol se debile a mayor distancia, por lo que los planetas exteriores se mueven más lentamente (menor velocidad orbital) que los interiores.

    Datos planetarios

    Las preguntas de examen suelen proporcionar una tabla como esta y pedirle que identifique patrones en ella.

    Planeta Distancia al Sol / millones de km Período orbital Densidad / g/cm³ Temperatura superficial / °C Gravedad superficial $g$ / N/kg
    Mercurio 58 88 días 5.4 170 3.7
    Venus 108 225 días 5.2 460 8.9
    Tierra 150 365 días 5.5 15 9.8
    Marte 228 687 días 3.9 −60 3.7
    Júpiter 779 11.9 años 1.3 −110 23
    Saturno 1430 29.5 años 0.7 −140 9.0
    Urano 2870 84 años 1.3 −195 8.7
    Neptuno 4500 165 años 1.6 −200 11

    Patrones a notar: cuanto más lejos está un planeta del Sol, más largo es su período orbital y más baja es su temperatura superficial. Los cuatro planetas interiores son densos (roca y metal), mientras que los cuatro planetas exteriores tienen bajas densidades (gas y hielo). La intensidad del campo gravitatorio en la superficie depende de la masa y el tamaño del planeta, no de su distancia al Sol.

    Órbitas elípticas

    La mayoría de las órbitas no son círculos perfectos sino elipses 椭圆 (círculos estirados), y el Sol no está en el centro de la elipse. Un cometa tiene una órbita muy estirada. Un objeto en una órbita elíptica se mueve más rápidamente cuando está más cerca del Sol. Explicamos esto mediante la conservación de energía 能量守恒 — la energía 能量 total permanece constante, por lo que a medida que la energía potencial gravitatoria 重力势能 del objeto disminuye (al acercarse), su energía cinética 动能 aumenta (acelera).

    Una órbita elíptica con el Sol en uno de los focos, moviéndose rápido cuando está cerca y lento cuando está lejos
    El Sol se encuentra en uno de los focos de la elipse; el planeta acelera al acercarse y desacelera al alejarse

    Tiempo de viaje de la luz

    Las distancias en el espacio son enormes, por lo que a menudo calculamos cuánto tarda la luz en cruzarlas. La luz viaja a $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. Usando $\text{time} = \dfrac{\text{distance}}{\text{speed}}$, la luz del Sol (que está a unos $1.5 \times 10^{11}\ \text{m}$ de distancia) tarda aproximadamente $500\ \text{s}$, o sea unos $8$ minutos, en llegar a la Tierra.

    Explorar

    Observa la carrera de los planetas

    Cuanto más cerca está un planeta del Sol, más rápido orbita: Mercurio en 88 días, Júpiter en 12 años, porque la gravedad del Sol es más fuerte cerca.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    Solar System/ˈsəʊlə ˈsɪstəm/ 太阳系 tài yáng xì
    planet/ˈplænɪt/ 行星 xíng xīng
    rocky/ˈrɒki/ 岩石 yán shí
    gaseous/ˈɡeɪsɪəs/ 气态 qì tài
    gas/ɡæs/ 气体 qì tǐ
    gas giant/ɡæs ˈdʒaɪənt/ 气态巨行星 qì tài jù xíng xīng
    ice giant/aɪs ˈdʒaɪənt/ 冰巨行星 bīng jù xíng xīng
    dwarf planet/dwɔːf ˈplænɪt/ 矮行星 ǎi xíng xīng
    asteroid/ˈæstərɔɪd/ 小行星 xiǎo xíng xīng
    satellite/ˈsætəlaɪt/ 卫星 wèi xīng
    comet/ˈkɒmɪt/ 彗星 huì xīng
    gravity/ˈɡrævɪti/ 引力 yǐn lì
    gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ 重力场强度 zhòng lì chǎng qiáng dù
    ellipse/ɪˈlɪps/ 椭圆 tuǒ yuán
    conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ 能量守恒 néng liàng shǒu héng
    energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
    gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 重力势能 zhòng lì shì néng
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng
    dust/dʌst/ 尘埃 chén āi
    6.1

    Cómo se formó el Sistema Solar

    Los planetas se formaron a partir de una enorme nube de gas y polvo 尘埃 en el espacio, que contenía muchos elementos químicos elementos 元素. Este es el modelo de acreción 吸积:

    • la gravedad agrupó la nube;
    • la nube estaba girando, por lo que se aplanó en un disco de acreción 吸积盘 giratorio;
    • la mayor parte de la materia cayó al centro y se convirtió en el Sol, mientras que los planetas crecieron a partir del material sobrante en el disco.

    Cerca del joven y caluroso Sol, solo la roca y el metal podían permanecer sólidos, por lo que los planetas interiores son rocosos. Más allá, donde hacía frío, los gases también pudieron acumularse, por lo que los planetas exteriores crecieron grandes y gaseosos.

    Un disco brillante de polvo naranja alrededor de una estrella joven, cruzado por anillos oscuros donde los planetas están recolectando material
    Un disco de acreción real alrededor de la estrella joven HL Tauri: las brechas oscuras son donde nuevos planetas están reuniendo el polvo — nuestro Sistema Solar comenzó de la misma manera
    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    element/ˈelɪmənt/ 元素 yuán sù
    accretion/əˈkreʃn/ 吸积 xī jī
    accretion disc/əˈkreʃn dɪsk/ 吸积盘 xī jī pán
    6.2

    El Sol como estrella

    Syllabus

    6.2.1 El Sol como una estrella

    Núcleo Complemento
    1 Saber que el Sol es una estrella de tamaño medio, compuesta principalmente por hidrógeno y helio, y que irradia la mayor parte de su energía en las regiones infrarroja, visible y ultravioleta del espectro electromagnético 2 Saber que las estrellas se alimentan de reacciones nucleares que liberan energía y que, en estrellas estables, dichas reacciones implican la fusión de hidrógeno en helio

    6.2.2 Estrellas

    Núcleo Complemento
    1 Enunciar que: (a) las galaxias están formadas cada una por miles de millones de estrellas (b) el Sol es una estrella en la galaxia conocida como la Vía Láctea (c) otras estrellas que conforman la Vía Láctea se encuentran mucho más lejos de la Tierra que el Sol (d) las distancias astronómicas pueden medirse en años luz, donde un año luz es la distancia que recorre la luz en (el vacío del) espacio en un año
    2 Saber que un año luz equivale a $9.5 \times 10^{15}$ m
    3 Describir el ciclo vital de una estrella: (a) una estrella se forma a partir de nubes interestelares de gas y polvo que contienen hidrógeno (b) una protostar es una nube interestelar que colapsa y aumenta su temperatura debido a su atracción gravitatoria interna (c) una protostar se convierte en una estrella estable cuando la fuerza hacia adentro de la atracción gravitatoria queda equilibrada por una fuerza hacia afuera debida a la alta temperatura en el centro de la estrella (d) todas las estrellas agotan eventualmente el hidrógeno como combustible para la reacción nuclear (e) la mayoría de las estrellas se expanden para formar gigantes rojas y las estrellas más masivas se expanden para formar supergigantes rojas cuando gran parte del hidrógeno en el centro de la estrella se ha convertido en helio (f) una gigante roja procedente de una estrella menos masiva forma una nebulosa planetaria con una enana blanca en su centro (g) una supergigante roja explota como supernova, formando una nebulosa que contiene hidrógeno y nuevos elementos más pesados, dejando tras de sí una estrella de neutrones o un agujero negro en su centro (h) la nebulosa resultante de una supernova puede formar nuevas estrellas con planetas orbitando a su alrededor

    6.2.3 El Universo

    Núcleo Complemento
    1 Saber que la Vía Láctea es una de los miles de millones de galaxias que componen el Universo y que su diámetro es de aproximadamente 100 000 años luz
    2 Describir el corrimiento al rojo como un aumento en la longitud de onda observada de la radiación electromagnética emitida por estrellas y galaxias que se alejan
    3 Saber que la luz emitida por galaxias lejanas aparece desplazada hacia el rojo en comparación con la luz emitida en la Tierra
    4 Saber que el corrimiento al rojo en la luz de galaxias lejanas es evidencia de que el Universo se está expandiendo y apoya la Teoría del Big Bang
    5 Saber que se observa radiación microondas de una frecuencia específica en todos los puntos del espacio circundante, la cual se conoce como radiación cósmica de fondo de microondas (RCMB)
    6 Explicar que la RCMB fue producida poco después de la formación del Universo y que esta radiación se ha expandido hacia la región de microondas del espectro electromagnético a medida que el Universo se expande
    7 Saber que la velocidad $v$ a la que una galaxia se aleja de la Tierra puede determinarse mediante el cambio en la longitud de onda de la luz estelar de dicha galaxia debido al corrimiento al rojo
    8 Saber que la distancia $d$ de una galaxia lejana puede determinarse utilizando el brillo de una supernova en dicha galaxia
    9 Definir la constante de Hubble $H_0$ como la relación entre la velocidad a la que la galaxia se aleja de la Tierra y su distancia desde la Tierra; recordar y utilizar la ecuación
    $$H_0 = \frac{v}{d}$$
    10 Saber que la estimación actual para $H_0$ es $2.2 \times 10^{-18}$ por segundo
    11 Saber que la ecuación
    $$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$
    representa una estimación de la edad del Universo y que esto constituye evidencia para la idea de que toda la materia del Universo estaba presente en un único punto

    Fuente: Plan de estudios Cambridge International

    El Sol es una estrella 恒星 de tamaño mediano, compuesta principalmente de hidrógeno 氢 y helio 氦. Radiación la mayor parte de su energía en las regiones infrarroja, luz visible y ultravioleta 紫外线 del espectro electromagnético 电磁波谱.

    Una estrella se alimenta de reacciones nucleares 核反应 en su núcleo. En una estrella estable, la reacción es fusión nuclear 核聚vac: los núcleos de hidrógeno se unen para formar helio, liberando enormes cantidades de energía.

    El Sol mostrado como un disco naranja brillante con una prominencia brillante en el borde, capturado en luz ultravioleta por el Observatorio de Dinámica Solar de la NASA
    El Sol, nuestra estrella más cercana, visto en luz ultravioleta
    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    rotate/rəʊˈteɪt/ 自转 zì zhuàn
    axis/ˈæksɪs/ 轴 zhóu
    tilted/ˈtɪltɪd/ 倾斜 qīng xié
    Sun/sʌn/ 太阳 tài yáng
    ultraviolet/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt/ 紫外线 zǐ wài xiàn
    electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ 电磁波谱 diàn cí bō pǔ
    nuclear reaction/ˈnjuːklɪə rɪˈækʃn/ 核反应 hé fǎn yìng
    nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ 核聚变 hé jù biàn
    6.2

    Estrellas, galaxias y el Universo

    Una galaxia 星系 es un grupo de miles de millones de estrellas unidas por la gravedad. Nuestro Sol es una estrella en la galaxia llamada Vía Láctea 银河系. Todas las demás estrellas de la Vía Láctea están mucho más lejos de la Tierra que el Sol.

    Una galaxia espiral vista de frente, con brazos curvos de estrellas que se enrollan desde un centro brillante y una galaxia compañera más pequeña en el borde
    Una galaxia espiral: miles de millones de estrellas unidas por la gravedad

    Las distancias entre estrellas son tan grandes que las medimos en años luz 光年. Un año luz es la distancia que recorre la luz en un año (en el vacío del espacio), lo que equivale a unos $9.5 \times 10^{15}\ \text{m}$.

    La Vía Láctea tiene aproximadamente $100\,000$ años luz de ancho (su diámetro 直径). Es solo una de muchas miles de millones de galaxias. Todas estas galaxias juntas forman el Universo 宇宙.

    Un telescopio grande en una montaña dispara un fino láser amarillo directamente hacia la banda brillante de la Vía Láctea durante la noche
    Un telescopio gigante estudia el cielo nocturno; el láser ayuda a obtener imágenes nítidas de estrellas distantes
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    Inglés Chino Pinyin
    galaxy/ˈɡæləksi/ 星系 xīng xì
    Milky Way/ˈmɪlki weɪ/ 银河系 yín hé xì
    light-year/laɪt jɪə/ 光年 guāng nián
    diameter/daɪˈæmɪtə/ 直径 zhí jìng
    6.2

    El ciclo vital de una estrella

    Una estrella nace, vive y muere a lo largo de un periodo muy largo:

    1. Una estrella se forma a partir de una nube interestelar 星际云 de gas y polvo que contiene hidrógeno.
    2. La gravedad atrae la nube hacia adentro y esta se calienta. Esta nube colapsante y calentada es una protostrella 原恒星.
    3. La protostrella se convierte en una estrella estable 稳定 cuando la atracción gravitatoria hacia adentro se equilibra con el empuje hacia afuera causado por la altísima temperatura en su centro.
    4. Con el tiempo, todas las estrellas agotan su combustible de hidrógeno combustible 燃料 para la fusión.

    Lo que sucede después depende de la masa de la estrella:

    • Una estrella de tamaño mediano (como el Sol) se hincha hasta convertirse en una enana roja 红巨星. Luego expulsa sus capas externas como una nube brillante llamada nebulosa 星云 planetaria, dejando una enana blanca 白矮星 pequeña y caliente en el centro.
    • Una estrella mucho más masiva se hincha hasta convertirse en una supergigante roja 红超巨星 y luego explota como una supernova 超新星. Esta explosión expande una nebulosa que contiene hidrógeno y nuevos elementos más pesados, dejando detrás una estrella de neutrones 中子星 o un agujero negro 黑洞.
    Un diagrama de flujo del ciclo vital de una estrella, ramificándose según la masa hacia las rutas de enana roja y supergigante roja
    Toda estrella comienza en una nebulosa; cómo termina depende de su masa

    La nebulosa de una supernova puede formar nuevas estrellas, con planetas orbitándolas, por lo que nuestro propio Sistema Solar provino de estrellas anteriores.

    Explorar

    El ciclo vital de una estrella

    La gravedad agrupa una nube de gas; la fusión enciende la estrella; cuando se le agota el combustible, se hincha y finalmente se apaga.

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    El ciclo de vida de una estrella similar al Sol

    Paso a paso de cómo nace, vive y muere una estrella como nuestro Sol.

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    Inglés Chino Pinyin
    period/ˈpɪərɪəd/ 周期 zhōu qī
    star/stɑː/ 恒星 héng xīng
    hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ 氢 qīng
    helium/ˈhiːlɪəm/ 氦 hài
    stable/ˈsteɪbl/ 稳定 wěn dìng
    fuel/ˈfjuːəl/ 燃料 rán liào
    red giant/red ˈdʒaɪənt/ 红巨星 hóng jù xīng
    nebula/ˈnebjʊlə/ 星云 xīng yún
    white dwarf/waɪt dwɔːf/ 白矮星 bái ǎi xīng
    red supergiant/red ˈsuːpədʒaɪənt/ 红超巨星 hóng chāo jù xīng
    supernova/ˌsuːpəˈnəʊvə/ 超新星 chāo xīn xīng
    neutron star/ˈnjuːtrɒn stɑː/ 中子星 zhōng zi xīng
    black hole/blæk həʊl/ 黑洞 hēi dòng
    receding/rɪˈsiːdɪŋ/ 退行 tuì xíng
    wavelength/ˈweɪvleŋθ/ 波长 bō cháng
    6.2

    El Universo en expansión

    Cuando una estrella o galaxia se aleja de nosotros (está recediendo 退行), la luz que recibimos de ella tiene una longitud de onda 波长 más larga que la normal — se desplaza hacia el extremo rojo del espectro. Esto es el corrimiento al rojo 红移.

    Dos espectros: las líneas de una galaxia lejana desplazadas hacia el extremo rojo en comparación con una cercana
    Las líneas oscuras en el espectro de una galaxia lejana están desplazadas hacia el extremo rojo — esto es corrimiento al rojo

    La luz de las galaxias lejanas presenta corrimiento al rojo, y cuanto más lejos está una galaxia, mayor es su corrimiento al rojo. Esto nos indica que las galaxias se están separando: el Universo está en expansión 膨胀. Si invirtiéramos este proceso, todo estaría juntos en un único punto en el pasado — esta es la evidencia de la teoría del Big Bang 大爆炸.

    Galaxias a nuestro alrededor, cada una con una flecha apuntando hacia afuera; flechas más largas para las galaxias más distantes
    Cada galaxia se está alejando de nosotros, y las más lejanas se alejan más rápidamente — el Universo se está expandiendo

    Más evidencia y la edad del Universo

    Se encuentra una débil radiación 微波 radiación 辐射 proveniendo de todas direcciones en el espacio. Esta es la radiación cósmica de fondo de microondas 宇宙微波背景辐射 (CMBR). Fue producida como radiación de alta energía poco después del Big Bang y se ha estirado hasta la región de microondas del espectro a medida que el Universo se expandió.

    Un mapa ovalado de todo el cielo moteado en azul y rojo, mostrando pequeñas diferencias de temperatura en el fondo de microondas
    Todo el cielo mapeado en microondas: este tenue resplandor nos llega desde todas direcciones como el calor residual del Universo joven — fuerte evidencia del Big Bang

    Para una galaxia lejana:

    • su velocidad $v$ de alejamiento se puede encontrar a partir del corrimiento al rojo de su luz estelar;
    • su distancia $d$ se puede encontrar a partir del brillo de una supernova observada en ella.

    La constante de Hubble 哈勃常数 $H_0$ une estas dos variables:

    $$H_0 = \frac{v}{d}$$

    Su valor actual es de aproximadamente $2.2 \times 10^{-18}$ por segundo. Invertir esto proporciona una estimación de la edad del Universo:

    $$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$

    Ejemplo resuelto. La constante de Hubble es de aproximadamente $H_0 = 2.2 \times 10^{-18}$ por segundo. Estime la edad del Universo.

    $$\frac{1}{H_0} = \frac{1}{2.2 \times 10^{-18}} \approx 4.5 \times 10^{17}\ \text{s}$$

    Esto equivale aproximadamente a $14$ millones de años.

    Esto funciona porque cada galaxia parece haber comenzado desde el mismo punto único al mismo tiempo — más apoyo para el Big Bang.

    Explorar

    El universo en expansión

    v = H₀·d

    Las galaxias se alejan más rápido cuanto más lejos están: la velocidad es proporcional a la distancia.

    Vocabulario Entrenar
    Inglés Chino Pinyin
    Universe/ˈjuːnɪvɜːs/ 宇宙 yǔ zhòu
    interstellar cloud/ˌɪntəˈstelə klaʊd/ 星际云 xīng jì yún
    protostar/ˈprəʊtəʊstɑː/ 原恒星 yuán héng xīng
    redshift/ˈredʃɪft/ 红移 hóng yí
    expanding/ekˈspændɪŋ/ 膨胀 péng zhàng
    Big Bang/bɪɡ bæŋ/ 大爆炸 dà bào zhà
    microwave/ˈmaɪkrəʊweɪv/ 微波 wēi bō
    radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 辐射 fú shè
    cosmic microwave background radiation/ˈkɒzmɪk ˈmaɪkrəʊweɪv ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 宇宙微波背景辐射 yǔ zhòu wēi bō bèi jǐng fú shè
    Hubble constant/ˈhʌbl ˈkɒnstənt/ 哈勃常数 hā bó cháng shù
    6.2

    Consejos para el examen

    • En $v = \dfrac{2\pi r}{T}$, $r$ es el radio de la órbita y $T$ es el tiempo para una órbita completa en segundos; convierta primero km a m y horas a segundos.
    • Los planetas más cercanos al Sol sienten una gravedad más fuerte, por lo que orbitan más rápido y tardan menos tiempo. En una órbita elíptica, un cuerpo acelera al acercarse al Sol (la energía potencial gravitatoria se convierte en energía cinética).
    • Un año luz es una distancia, no un tiempo — la distancia que recorre la luz en un año.
    • Una estrella es estable cuando la atracción gravitatoria hacia adentro se equilibra con el empuje hacia afuera generado por la fusión 在核心释放的能量. Lo que se convierte cuando se agota su combustible depende de su masa.
    • Corrimiento al rojo — la luz de galaxias lejanas desplazada hacia longitudes de onda más largas (más rojas), con un desplazamiento mayor cuanto más lejos estén — es la evidencia de que el Universo está en expansión, lo que apoya el Big Bang.

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