Departamento de Física y Química. I. E. S. Atenea (S. S. Reyes, Madrid)

Examen de Selectividad de Física. Junio 2008. Soluciones Primera parte Cuestión 1.- Un cuerpo de masa m está suspendido de un muelle de constante elástica k. Se tira verticalmente del cuerpo desplazando éste una distancia X respecto de su posición de equilibrio, y se le deja oscilar libremente. Si en las mismas condiciones del caso anterior el desplazamiento hubiese sido 2X, deduzca la relación que existe, en ambos casos, entre: a) las velocidades máximas del cuerpo; b) las energías mecánicas del sistema oscilante. Solución: a) 𝐾 𝑣2 𝑚á𝑥 𝐴2 𝜔 2𝑋 𝜔= ; 𝐴1 = 𝑋 ; 𝐴2 = 2𝑋 ; = = =2 𝑚 𝑣1 𝑚á𝑥 𝐴2 𝜔 𝑋 1 b) 2 𝐸2 2 𝐾𝐴2 (2𝑋)2 = = =4 𝐸1 1 𝐾𝐴2 𝑋2 1 2 Cuestión 2.- Una sonda de masa 5000 kg se encuentra en una órbita circular a una altura sobre la superficie terrestre de 1,5 R T. Determine: a) el momento angular de la sonda en esa órbita respecto al centro de la Tierra; b) la energía que hay que comunicar a la sonda para que escape del campo gravitatorio terrestre desde esa órbita. Datos: Constante de Gravitación: G = 6,67.10-11 N.m2.kg-2. Masa de la Tierra: MT = 5,98.1024 kg. Radio medio terrestre: RT = 6370 km Solución: a) 𝐺𝑀𝑇 𝐿 = 𝑟𝑚𝑣 = 𝑟𝑚 𝑟 𝐿 = 2,5 · 6,37 · 106 · 5000 ·

6,67 · 10−11 · 5,98 · 1024 2,5 · 6,37 · 106

𝐿 = 3,98 · 1014 𝑘𝑔 · 𝑚2 /𝑠 b) Para que escape su energía total ha de valer cero:

𝐺𝑀𝑇 𝑚 =0 2𝑟 −11 𝐺𝑀𝑇 𝑚 6,67 · 10 · 5,98 · 1024 · 5000 𝑊= = 2𝑟 2 · 2,5 · 6,37 · 106 𝑊 = 6,26 · 1010 𝐽 𝑊+𝐸 =0;

𝑊−

Cuestión 3.- Una lámina de vidrio (índice de refracción n = 1,52) de caras planas y paralelas y espesor d se encuentra entre el aire y el agua. Un rayo de luz monocromática de frecuencia 5·1014 Hz incide desde el agua en la lámina. Determine: a) Las longitudes de onda del rayo en el agua y en el vidrio. b) El ángulo de incidencia en la primera cara de la lámina a partir del cual se produce reflexión total interna en la segunda cara. Datos: índice de refracción del agua: nagua = 1,33. Velocidad de la luz en el vacío = 3·108 m/s

1

Departamento de Física y Química. I. E. S. Atenea (S. S. Reyes, Madrid) Solución: a)

𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎 =

r1

vidrio

agua

3 · 108 ; 𝑣𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1,33 = 𝜆𝑎𝑔𝑢𝑎 𝜈

𝑣𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑣𝑎𝑔𝑢𝑎 3 · 108 = 𝜆𝑎𝑔𝑢𝑎 · 5 · 1014 1,33 𝜆𝑎𝑔𝑢𝑎 = 4,51 · 10−7 𝑚 𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎 𝜆𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑛𝑣𝑖𝑑𝑟𝑖𝑜 𝜆𝑣𝑖𝑑𝑟𝑖𝑜 1,33 · 4,51 · 10−7 = 1,52 · 𝜆𝑣𝑖𝑑𝑟𝑖𝑜 𝜆𝑣𝑖𝑑𝑟𝑖𝑜 = 3,95 · 10−7 𝑚

r2

aire

𝑐

i2

i1

b) 2ª 𝑐𝑎𝑟𝑎: aire

𝑛𝑣𝑖𝑑𝑟𝑖𝑜 · 𝑠𝑒𝑛 𝑖2 = 𝑛𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑛 𝑟2

r2

1,52 · 𝑠𝑒𝑛 𝑖2 = 1 · 𝑠𝑒𝑛 90 r1

vidrio

𝑖2 = 41,14° ;

i2

𝑟1 = 𝑖2

1ª 𝑐𝑎𝑟𝑎: 𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎 · 𝑠𝑒𝑛 𝑖1 = 𝑛𝑣𝑖𝑑𝑟𝑖𝑜 𝑠𝑒𝑛 𝑟1

i1

1,33 · 𝑠𝑒𝑛 𝑖1 = 1,52 · 𝑠𝑒𝑛 41,14

agua

𝑖1 = 48,75° Cuestión 4.- El potencial de frenado de los electrones emitidos por la plata cuando se incide sobre ella con luz de longitud de onda de 200 nm es 1,48 V. Deduzca: a) La función de trabajo (o trabajo de extracción) de la plata, expresada en eV. b) La longitud de onda umbral en nm para que se produzca el efecto fotoeléctrico. Datos: Constante de Planck: h = 6,626·10-34 J.s. Velocidad de la luz en el vacío = 3·108 m/s. Valor absoluto de la carga del electrón: e = 1,6·10-19 C. Solución: a) 𝑕𝜈 = 𝑊 + 𝐸𝑐𝑚á𝑥 ; 𝑐 3 · 108 −34 𝑕𝜈 = 𝑕 = 6,626 · 10 · = 9,939 · 10−19 𝐽 −9 𝜆 200 · 10 𝑕𝜈 = 9,939 · 10−19 /1,6 · 10−19 = 6,21 𝑒𝑉 𝐸𝑐𝑚á𝑥 = 𝑞𝑉 = 1,6 · 10−19 · 1,48 = 2,368 · 10−19 𝐽 = 1,48 𝑒𝑉 𝑊 = 𝑕𝜈 − 𝐸𝑐𝑚á𝑥 = 6,21 − 1,48 = 4,73 𝑒𝑉 b)

𝑊 = 𝑕𝜈0 = 𝑕

𝑐 3 · 108 ; 4,73 · 1,6 · 10−19 = 6,626 · 10−34 · 𝜆0 𝜆0

𝜆0 = 2,63 · 10−7 𝑚 = 263 𝑛𝑚 Cuestión 5.- Justifique si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones, según la

2

Departamento de Física y Química. I. E. S. Atenea (S. S. Reyes, Madrid) teoría de la relatividad especial: a) La masa de un cuerpo con velocidad v respecto de un observador es menor que su masa en reposo. b) La energía de enlace del núcleo atómico es proporcional al defecto de masa nuclear m. Solución: 𝑚0 a) 𝐹𝑎𝑙𝑠𝑎. 𝑚 = ; 𝑐𝑜𝑚𝑜 𝑒𝑙 𝑑𝑒𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑒𝑠 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑞𝑢𝑒 1, 𝑣2 1− 2 𝑐 𝑚 > 𝑚0 b) Verdadera. La energía liberada cuando se unen nucleones para formar un núcleo es: 𝐸 = Δ𝑚 · 𝑐 2 Segunda parte REPERTORIO A Problema 1.- Dos cargas fijas Q1 = +12,5 nC y Q2 = -2,7 nC se encuentran situadas en los puntos del plano XY de coordenadas (2,0) y (-2,0) respectivamente. Si todas las coordenadas están expresadas en metros, calcule: a) El potencial eléctrico que crean estas cargas en el punto A (-2,3). b) El campo eléctrico creado por Q1 y Q2 en el punto A. c) El trabajo necesario para trasladar un ion de carga negativa igual a -2e del punto A al punto B, siendo B (2,3), indicando si es a favor o en contra del campo. d) La aceleración que experimenta el ion cuando se encuentra en el punto A. Datos: Valor absoluto de la carga del electrón: e = 1,6·10-19 C. Constante de la ley de Coulomb: K = 9.109 N.m2.C-2. Masa del ion: M = 3,15·10-26 kg. Solución: a) 𝑟1𝐴 = −2 − 2 𝑖 + 3 − 0 𝑗 = −4𝑖 + 3𝑗 ; 𝑟1𝐴 = (−4)2 + 32 = 5 𝑟2𝐴 = −2 + 2 𝑖 + 3 − 0 𝑗 = 3𝑗 ; 𝑉𝐴 = b)

𝑟2𝐴 = 3

𝑞𝑖 12,5 · 10−9 (−2,7 · 10−9 ) 9 9 𝐾 = 9 · 10 + 9 · 10 = 14,4 𝑉 𝑟𝑖 5 3

𝐸1𝐴 = 𝐾

𝑞1 𝑟1𝐴 12,5 · 10−9 9 = 9 · 10 −4𝑖 + 3𝑗 = −3,6𝑖 + 2,7𝑗 𝑟1𝐴 2 𝑟1𝐴 53

𝐸2𝐴

𝑞2 𝑟2𝐴 (−2,7 · 10−9 ) 9 =𝐾 2 = 9 · 10 3𝑗 = −2,7𝑗 𝑟2𝐴 𝑟2𝐴 33

𝐸𝐴 = 𝐸1𝐴 +𝐸2𝐴 = −3,6 𝑖 𝑁/𝐶 𝑟1𝐵 = 2 − 2 𝑖 + 3 − 0 𝑗 = 3𝑗 ;

c)

𝑟2𝐵 = 2 + 2 𝑖 + 3 − 0 𝑗 = 4𝑖 + 3𝑗 ; 𝑉𝐵 =

𝑟1𝐴 = 3

𝑟2𝐴 =

42 + 32 = 5

𝑞𝑖 12,5 · 10−9 (−2,7 · 10−9 ) 9 9 𝐾 = 9 · 10 + 9 · 10 = 32,64 𝑉 𝑟𝑖 3 5

𝑊 = −𝑞 𝑉𝐵 − 𝑉𝐴 = 2 · 1,6 · 10−19 · 32,64 − 14,4 = 5,84 · 10−19 𝐽

3

Departamento de Física y Química. I. E. S. Atenea (S. S. Reyes, Madrid) El trabajo es a favor del campo. 3,15 · 10−26 𝑎 = −2 · 1,6 · 10−19 · (−3,6 𝑖 )

d) 𝐹 = 𝑚𝑎 = 𝑞𝐸𝐴 ;

𝑎 = 3,66 · 107 𝑖 𝑚/𝑠 2 Problema 2.- Se realizan dos mediciones del nivel de intensidad sonora en las proximidades de un foco sonoro puntual, siendo la primera de 100 dB a una distancia x del foco, y la segunda de 80 dB al alejarse en la misma dirección 100 m más. a) Obtenga las distancias al foco desde donde se efectúan las mediciones. b) Determine la potencia sonora del foco. Dato: Intensidad umbral de audición I0 = 10-12 W m-2 Solución: 𝐼 𝐼1 𝐼1 a) 𝛽 = 10 · log ; 100 = 10 · log −12 ; 1010 = −12 ; 𝐼1 = 10−2 𝐼0 10 10 𝐼2 𝐼2 ; 108 = −12 ; 𝐼2 = 10−4 −12 10 10 𝑃 𝑃 𝑃 𝐼= ; 𝐼 = ; 𝐼 = ; 𝑑𝑖𝑣𝑖𝑑𝑖𝑚𝑜𝑠 𝐼1 /𝐼2 1 2 4𝜋𝑅 2 4𝜋𝑥 2 4𝜋(𝑥 + 100)2 80 = 10 · log

𝐼1 𝑥 + 100 = 𝐼2 𝑥2

2

;

10−2 = 10−4

𝑥 + 100 𝑥2

2

; 10 =

𝑥 + 100 ; 𝑥 = 11,1 𝑚 𝑥

Las distancias son 11,1 y 111,1 m. b)

𝑃 = 𝐼1 · 4𝜋𝑥 2 = 10−2 · 4𝜋 · 11,12 = 15,5 𝑤

REPERTORIO B Problema 1.- Un sistema óptico está formado por dos lentes: la primera es convergente y con distancia focal de 10 cm; la segunda, situada a 50 cm de distancia de la primera, es divergente y con 15 cm de distancia focal. Un objeto de tamaño 5 cm se coloca a una distancia de 20 cm delante de la lente convergente. a) Obtenga gráficamente mediante el trazado de rayos la imagen que produce el sistema óptico. b) Calcule la posición de la imagen producida por la primera lente. c) Calcule la posición de la imagen producida por el sistema óptico. d) ¿Cuál es el tamaño y la naturaleza de la imagen final formada por el sistema óptico? Solución:

4

Departamento de Física y Química. I. E. S. Atenea (S. S. Reyes, Madrid) a)

f1

f2 f2

1 1 1 1 1 1 + = ; + = ; 𝑆𝑖 = 20 𝑐𝑚 𝑆𝑜 𝑆𝑖 𝑓 20 𝑆𝑖 10 𝑆′𝑜 = 50 − 𝑆𝑖 = 50 − 20 = 30 𝑐𝑚 1 1 1 1 1 1 + = ; + = ; 𝑆′𝑖 = −10 𝑐𝑚 𝑆′𝑜 𝑆′𝑖 𝑓 30 𝑆′𝑖 −15

b) c)

d)

𝑦𝑖 𝑆𝑖 𝑦𝑖 20 =− ; = − ; 𝑦𝑖 = −5 𝑐𝑚 𝑦𝑜 𝑆𝑜 5 20 𝑦′ 𝑖 𝑦′ 𝑖 𝑆′ 𝑖 −10 𝑀= ′ =− ′ ; =− ; 𝑦𝑜 𝑆𝑜 −5 30 𝑦 ′ 𝑖 = −1,67 𝑐𝑚

𝑃𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 ó𝑝𝑡𝑖𝑐𝑜: 𝑀 = 2º 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 ó𝑝𝑡𝑖𝑐𝑜: Imagen virtual e invertida.

Problema 2.- Una espira circular de radio r = 5 cm y resistencia 0,5  se encuentra en reposo en una región del espacio con campo magnético 𝐵 = 𝐵0 𝑘, siendo B0 = 2 T y 𝑘 el vector unitario en la dirección Z. El eje normal a la espira en su centro forma 0° con el eje Z. A partir de un instante t = 0 la espira comienza a girar con velocidad angular constante  =  (rad/s) en torno a un eje diametral. Se pide: a) La expresión del flujo magnético a través de la espira en función del tiempo t, para t > 0. b) La expresión de la corriente inducida en la espira en función de t. Solución: a) Φ = 𝐵 · 𝑆 = 𝐵0 𝑘 · 𝜋𝑟 2 𝑘 · cos 𝜔𝑡 + 𝛿0 = 2 · 𝜋 · 0,052 cos 𝜋𝑡 Φ = 0,0157 · cos 𝜋𝑡 𝑊𝑏 A t = 0, el ángulo es 0, por lo tanto 0 = 0 b)

𝐼=

𝜀 1 𝑑Φ 0,0157 · π · sen 𝜋𝑡 =− = = 0,0987 · sen 𝜋𝑡 𝐴 𝑅 𝑅 𝑑𝑡 0,5

5