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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS PROGRAMA SINTÉTICO CARRERA: Ingeniería en Control y Automatización. Ingeniería Eléctrica ASIGNATURA: Física Moderna

SEMESTRE:

Tercero

OBJETIVO GENERAL: El alumno aplicará los conceptos básicos de física moderna no relativista y de la mecánica estadística, en el análisis de los modelos mecánicos cuánticos que se manejan en los dispositivos electrónicos de estado sólido. CONTENIDO SINTÉTICO: I.Relatividad II.Introducción a la física cuántica III.Mecánica cuántica IV.Física atómica fuerzas V.Moléculas y sólidos VI.Superconductividad METODOLOGÍA: Participación en clase de los asistentes en la búsqueda, lectura y análisis de la información que posibilite la integración de los aspectos teórico- prácticos, análisis y solución de problemas de la asignatura. EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN: Trabajos realizados extra clase (5%) Reportes de las prácticas realizadas en los laboratorios (20%). Participación en actividades de aprendizaje individuales y de equipo (5%) Tres exámenes departamentales (calificación teórica 70%). BIBLIOGRAFÍA: 1.- Robert Eisberg-Robert Resnick “Física Cuántica” Limusa 1991, México 2.- Artur Beiser “Perspectives of modern physsics" McGRAW-HILL 1969, U.S.A 3.-. Marcelo Alonso-Edward J. Finn ”FÍSICA” Vol. III, Addison Wesley 1971, México 4.- J. P. McKelvey “Física del Estado Sólido y de Semiconductores” Edit. Limusa 1976, México

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

ESCUELA: Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica CARRERA: Ingeniería En Control y Automatización OPCIÓN: COORDINACIÓN: Física DE I.C.A. e I.E. DEPARTAMENTO:

ASIGNATURA: Física Moderna CLAVE: Semestre: Tercero CRÉDITOS:10.5 VIGENTE: Agosto 2004 TIPO DE ASIGNATURA: Teórico - Práctica. MODALIDAD: Escolarizada

TIEMPOS ASIGNADOS HRS/SEMANA/TEORÍA:

4.5

HRS/SEMANA/PRÁCTICA:

1.5

HRS/SEMESTRE/TEORÍA:

81

HRS/SEMESTRE/PRÁCTICA:

27

HRS/TOTALES:

108

PROGRAMA ELABORADO O ACTUALIZADO POR: Academias de Física de la ESIME REVISADO POR: Subdirección Académica APROBADO POR: Consejo Técnico Consultivo Escolar ESIME- ZACATENCO Dr. Alberto Cornejo Lizarralde

AUTORIZADO POR: Comisión de Planes y Programas de Estudio del Consejo General Consultivo del IPN.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS ASIGNATURA: Física Moderna DE 11

CLAVE:

HOJA: 2

FUNDAMENTACIÓN DE LA ASIGNATURA La rápida evolución de la ciencia y la tecnología ha impulsado en el sistema educativo del país la búsqueda de programas, métodos y recursos, que conlleven a elevar el nivel de la cultura de la población, así como incrementar el número de profesionistas en las áreas científicas y tecnológicas. Hoy los requerimientos sociales de profesionales con mayor preparación científica y tecnológica son superiores a los de cualquier otro período histórico. Ante esta demanda, es fundamental promover la formación de ingenieros creativos e imaginativos, con una actitud critica, racional y científica, capaces de manejar la tecnología existente y desarrollar una tecnología propia, que permita solucionar los problemas que en esta área enfrenta México. Pero, para poder formar este tipo de ingenieros, es indispensable que en las escuelas se les proporcione una sólida formación en ciencias básicas, sin la cual se verán rebasados en pocos años por los avances de su especialidad. . En este contexto en los planes de estudio de Ingeniería en Control y Automatización de la ESIME se ha incluido la asignatura de física moderna y estadística sustentada en la experiencia de que los avances tecnológicos ligados a la electrónica y las comunicaciones, logrados en el siglo anterior, han originado cambios importantes en todas las especialidades de las ciencias y de la Ingeniería, pero en todos ellos los principios físicos de la asignatura se han conservado inalterables. Nadie puede predecir con exactitud que innovaciones tecnológicas se conseguirán en el futuro, pero si se puede estar seguro, de que los principios físicos de la física moderna y estadística contribuirán en ellas. Teniendo en cuenta el lugar que ocupa la Física como ciencia y fundamento de la tecnología moderna, queda perfectamente definida la importancia de ésta, como asignatura componente del Plan de Estudios de las carreras de Ingeniería en Control y Automatización. Esta asignatura tiene como antecedente: Algebra, Cálculo diferencial e integral, Ecuaciones diferenciales, Mecánica clásica, Electricidad y magnetismo. Esta asignatura tiene como consecuente: Dispositivos Electrónicos

OBJETIVO DE LA ASIGNATURA El alumno aplicará los conceptos básicos de física moderna no relativista y de la mecánica estadística, en el análisis de los modelos mecánicos cuánticos que se manejan en los dispositivos electrónicos de estado sólido.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

ASIGNATURA: Física Moderna 3 DE 11 No. UNIDAD l

CLAVE:

HOJA:

NOMBRE: Relatividad.

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno describirá los fenómenos: efecto fotoeléctrico y ondas de materia, que contradicen la mecánica clásica y aplicará para su solución los principios de la mecánica antigua.

No. TEMA

TEMAS T

HORAS P 3.0

1.1

El principio de la relatividad newtoniana

4

1.2

El experimento de Michelson-Morle

2

1.3

Principio de la relatividad de Einstein.

2

1.4

Consecuencias de la relatividad especial.

2

1.5

Las ecuaciones de transformación de Lorente

2

1.6

Momento relativista y forma relativista de las leyes de Newton.

4

1.7

Energía relativista.

2

1.8

Equivalencia de la masa y la energía.

1

1.9

Relatividad y electromagnetismo.

1

1.10

Relatividad general.

1

EC

CLAVE BIBLIOGRÁFICA 1C, 2C, 3C, 4C, 5C

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS ESTRATEGIA DIDÁCTICA Realización de ejercicios, Resolución de problemas, Exposición de temas, en forma grupal y/o individual, mediante la guía del profesor quien expone y explica los conceptos, ejemplifica mediante ejercicios que él mismo resuelve fortalecimiento de conceptos aplicados en el laboratorio. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN • • • •

Ejercicios realizados en clases. Prácticas de laboratorio reportadas por escrito. Participaciones Examen de los contenidos de esta unidad.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS ASIGNATURA: Física Moderna 4 DE 11

CLAVE:

HOJA:

No. UNIDAD lI

NOMBRE: Introducción a la física cuántica.

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno explicará los conceptos, principios y leyes fundamentales de la mecánica cuántica, así como la estructura y organización de los átomos, identificará algunas aplicaciones prácticas de la interacción entre la materia y la radiación.

No. TEMA

TEMAS T

HORAS P 3.0

2.1

Radiación de cuerpo negro e hipótesis de Planck.

2

2.2

El efecto fotoeléctrico.

2

2.3

Aplicaciones del efecto fotoeléctrico.

2

2.4

El efecto Compton.

2

2.5

Espectros atómicos-

2

2.6

Modelo cuántico de Bohr del átomo.

2

EC

CLAVE BIBLIOGRÁFICA 1C, 2C, 3C, 4C, 5C

PRIMER EXAMEN PARCIAL ORDINARIO

ESTRATEGIA DIDÁCTICA: Realización de ejercicios, resolución de problemas y exposición de temas de investigación, en forma grupal o individual. El profesor expone y explica los conceptos, ejemplifica mediante ejercicios que él mismo resuelve y en los laboratorios se fortalecen los conceptos teóricos. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN • • • •

Ejercicios realizados en clases. Prácticas de laboratorio reportadas por escrito. Participaciones Examen de los contenidos de esta unidad.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS ASIGNATURA: Física Moderna

CLAVE:

No. UNIDAD: llI

HOJA: 5 DE 11

NOMBRE: Mecánica cuántica

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El estudiante resolverá problemas relativistas desde un punto de vista cuántico. Previa explicación de las propiedades ondulatorias y la cantidad de fenómenos que comprenden los átomos, moléculas, núcleos y sólidos, utilizando por primera vez la notación relativista, el lenguaje de teoría de grupos y de álgebras.

No. TEMA

T

HORAS P 6.0

TEMAS

3.1

Fotones y ondas electromagnéticas.

2

3.2

Las propiedades ondulatorias de las partículas.

2

3.3

Regreso al experimento de doble rendija.

2

3.4

El principio de incertidumbre.

1

3.5

Tunelaje a través de una barrera.

1

3.6

Diodo túnel.

1

3.7

Unión Josephson.

1

3.8

Decaimiento Alfa.

1

3.9

El microscopio de tonelaje exploratorio.

1

EC

CLAVE BIBLIOGRÁFICA 1C, 2C, 3C, 4C, 5C

ESTRATEGIA DIDÁCTICA: Realización de ejercicios, resolución de problemas y exposición de temas de investigación, en forma grupal o individual. El profesor expone y explica los conceptos, ejemplifica mediante ejercicios que él mismo resuelve y en los laboratorios se fortalecen los conceptos teóricos. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN • • • •

Ejercicios realizados en clases. Prácticas de laboratorio reportadas por escrito. Participaciones Examen de los contenidos de esta unidad.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS ASIGNATURA: Física Moderna 6 DE 11 No. UNIDAD: IV

CLAVE:

HOJA:

NOMBRE: Física atómica fuerzas OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD

El estudiante comprobará que los átomos y moléculas funcionan como sistemas fundamentales de prueba de los principios de la Física, mediante técnicas experimentales y teóricas recientes . No. TEMAS TEMA Los primeros modelos del átomo. 4.1

T 2

4.2

Átomo del hidrógeno.

1

4.3

El número cuántico magnético del espín.

2

4.4

Los “otros” números cuánticos.

2

4.5

El principio de fusión y la tabla periódica.

2

4.6

Espectros atómicos: visible y rayos X

1

4.7

Transiciones atómicas.

1

4.8

Láseres y holografía.

1

HORAS P 10.5

EC

CLAVE BIBLIOGRÁFICA 1C, 2C, 3C, 4C, 5C

SEGUNDO EXAMEN PARCIAL ORDINARIO

ESTRATEGIA DIDÁCTICA: Realización de ejercicios, resolución de problemas y exposición de temas de investigación, en forma grupal o individual. El profesor expone y explica los conceptos, ejemplifica mediante ejercicios que él mismo resuelve y en los laboratorios se fortalecen los conceptos teóricos. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN: • • • • •

Ejercicios realizados en clases. Prácticas de laboratorio reportadas por escrito. Participaciones Examen de los contenidos de esta unidad. La evaluación de las prácticas de laboratorio representarán el 30% de la calificación definitiva. No se asignará una calificación aprobatoria sin que se haya realizado como mínimo el 80% de las prácticas programadas.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS ASIGNATURA: Física Moderna 7 DE 11

CLAVE:

No. UNIDAD V

HOJA:

NOMBRE: Moléculas y sólidos. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD

El alumno explicará algunas características de los sólidos, sus propiedades ópticas y eléctricas, así como las características y aplicaciones de los semiconductores, fotoconductores, transistores y celdas solares en la ingeniería eléctrica. No. TEMA 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9

TEMAS T 1 1 1 1 1 1 1 1 1

HORAS P 3.0

EC

CLAVE BIBLIOGRÁFICA 1C, 2C, 3C, 4C, 5C

Enlaces moleculares. Enlace iónico. Enlace covalente. Enlaces de Van der Waals. Enlace de hidrógeno. Enlaces sólidos. Teorías de bandas de sólidos. Teoría de electrones libres de metales. Conducción eléctrica en metales, aisladores y semiconductores. 1 Metales. 5.9.1 Aisladores. 5.9.2 Semiconductores. 5.9.3 Semiconductores con impurezas. 5.9.4 1 Dispositivos semiconductores. 5.10 5.10.1 La unión p-n. 5.10.2 Transistores unión pnp y npn. 1 El circuito integrado 5.11 ESTRATEGIA DIDÁCTICA: Realización de ejercicios, resolución de problemas y exposición de temas de investigación, en forma grupal o individual. El profesor expone y explica los conceptos, ejemplifica mediante ejercicios que él mismo resuelve y en los laboratorios se fortalecen los conceptos teóricos. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN • Ejercicios realizados en clases. • Prácticas de laboratorio reportadas por escrito. • Participaciones • Examen de los contenidos de esta unidad. • La evaluación de las prácticas de laboratorio representarán el 30% de la calificación definitiva. No se asignará una calificación aprobatoria sin que se haya realizado como mínimo el 80% de las prácticas programadas.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

ASIGNATURA: Física Moderna DE 11 No. UNIDAD: VI

CLAVE:

HOJA: 8

NOMBRE: Superconductividad.

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno aplicará los fenómenos de la superconductividad en óxidos metálicos, previa comprensión de sus propiedades electromagnéticas básicas de los superconductores, para explicar el comportamiento de propiedades de los mismos. No. TEMA T 6.1

Breve repaso histórico.

1

6.2

Algunas propiedades de los superconductores tipo I.

2

6.3

Superconductores tipo II.

2

6.4

Otras propiedades de los superconductores.

1

6.5

Calor específico electrónico.

1

6.6

La teoría BCS.

1

6.7

Mediciones de la brecha de energía.

1

6.8

Tunelaje (efecto túnel de Josephson). 3.6.8.1 Efecto Josephson de cd. 3.6.8.2 Efecto Josephson de ca.

1

6.9

Superconductividad de alta temperatura.

1

6.10

Aplicaciones. TERCER EXAMEN PARCIAL ORDINARIO

1

HORAS P EC 1.5

CLAVE BIBLIOGRÁFICA 1C, 2C, 3C, 4C, 5C

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS ESTRATEGIA DIDÁCTICA: Aplicación del conocimiento en ejercicios y resolución de problemas por parte del alumno. Con la guía del profesor exposición de temas en forma grupal o individual de los alumnos y el profesor. Modelaje en ejercicios por parte del profesor.

PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN: • Ejercicios realizados • Participación en actividades individuales y de equipo. • Examen de los contenidos de esta unidad. • La evaluación de las prácticas de laboratorio representarán el 30% de la calificación definitiva. No se asignará una calificación aprobatoria sin que se haya realizado como mínimo el 80% de las prácticas programadas.

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ASIGNATURA: Física Moderna DE 11 No. Práctica

CLAVE:

Nombre de la práctica

HOJA: 9

Relación de Horas U. Práctica Temáticas .

Lugar de realización

1

Medida de la velocidad de luz

1

1.5

Laboratorio

2

Interferómetro de Michelson-Morley

1

1.5

Laboratorio

3

Efecto fotoeléctrico.

2

1.5

Laboratorio

4

Espectros Atómicos.

3

1.5

Laboratorio

5

Planck “El quántum de acción” del efecto fotoeléctrico (la separación de línea por defracción que Rejillas)

3

1.5

Laboratorio

6

Difracción en una abertura y el principio de incertidumbre de Heisenberg.

3

1.5

Laboratorio

7

Rayos X.

4

1.5

Laboratorio

8

Estructura fina y el espectro de un electrón.

4

1.5

Laboratorio

9

Experimento de Franck Hertz.

4

1.5

Laboratorio

10

Dispersión y rangos de resolución del prisma.

4

1.5

Laboratorio

11

Interferencia de luz.

4

1.5

Laboratorio

12

Anillos de Newton.

4

1.5

Laboratorio

13

Grabación y reconstrucción de hologramas.

5

3

Laboratorio

14

Curvas características de una célula solar.

6

1.5

Laboratorio

15

Amplificación de pequeñas señales por transistores

6

1.5

Laboratorio

16

Construcción de un contador digital

6

3

Laboratorio

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ASIGNATURA: Física Moderna

PERÍODO

UNIDAD

1 2 3

I y II, III y IV, V y VI.

CLAVE:

HOJA: 10 DE 11

PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN 70% EXAMEN ESCRITO + 30% EVALUACIÓN DE PRACTICAS DE LABORATORIO 70% EXAMEN ESCRITO + 30% EVALUACIÓN DE PRACTICAS DE LABORATORIO 70% EXAMEN ESCRITO + 30% EVALUACIÓN DE PRACTICAS DE LABORATORIO No se asignará al alumno una calificación definitiva aprobatoria del curso sin que haya realizado y reportado satisfactoriamente como mínimo el 80% de las prácticas programadas.

CLAVE 1 2

B

C X X

3

X

4

X

5 6 7

X X X

BIBLIOGRAFÍA Robert Eisberg-Robert Resnick “Física Cuántica” Limusa 1991, Artur Beiser “Perspectives of modern physsics" McGRAW-HILL 1969, U.S.A Marcelo Alonso-Edward J. Finn ”FÍSICA” Vol. III Fundamentos Cuánticos y Estadísticos”, Addison Wesley 1971, México J. P. McKelvey “Física del Estado Sólido y de Semiconductores” Edit. Limusa 1976, Donald A. Neamen “Semiconductor Physics and Devices” IRWIN 1992 Acosta Virgilio “Física Moderna”

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

PERFIL DOCENTE POR ASIGNATURA

1. DATOS GENERALES Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

ESCUELA: CARRERA:

Ingeniería en Control y Automatización Ingeniería Eléctrica BÁSICAS

ÁREA: ACADEMIA:

C. INGENIERÍA

Física.

D. INGENIERÍA ASIGNATURA:

SEMESTRE:

Tercero

C. SOC. y HUM.

Física Moderna

Licenciatura en Ingeniería o en Ciencias Físico Matemáticas

ESPECIALIDAD Y NIVEL ACADÉMICO REQUERIDO: 2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA:

El alumno aplicará los conceptos básicos de física moderna no relativista y de la mecánica estadística, en el análisis de los modelos mecánicos cuánticos que se manejan en los dispositivos electrónicos de estado sólido. 3. PERFIL DOCENTE: CONOCIMIENTOS Mínimo Licenciatura en la rama Físico matemático o ingeniería.

EXPERIENCIA PROFESIONAL De preferencia dos años en la enseñanza superior o diplomado en docencia en la enseñanza superior.

HABILIDADES

ACTITUDES

Ejercicio de la crítica fundamentada. Respeto. Para establecer climas favorables al aprendizaje. Tolerancia. Compromiso con la docencia. Dos años dentro de su Para transferir el Ética. profesión (no conocimiento teórico a la Responsabilidad. indispensable). solución de problemas. Científica. Para motivar al estudio al Colaboración. Superación docente y razonamiento y a la profesional. investigación. Motivadora de los valores De liderazgo ante el grupo. humanos e Institucionales. Vocación al servicio. Para el manejo de: material didáctico, Equipo de laboratorio, Y de software. Para el manejo de grupos.

ELABORÓ

REVISÓ

AUTORIZÓ

FIS. NUC. MIGUEL F. ROCHA BARAJAS.

ING. GUILLERMO SANTILLÁN GUEVARA

DR. ALBERTO CORNEJO LIZARRALDE.

PRESIDENTE DE ACADEMIA

SUBDIRECTOR ACADÉMICO FECHA:

DIRECTOR DEL PLANTEL Marzo del 2004