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FÍSICA MODERNA CÓDIGO: 299003 Tarea Práctica Virtual

Presentado a: ANGELO ALBANO REYES (Tutor) Tutor

Entregado por: Luis Alberto Jaime Tenjo (Estudiante No 3) Código: 1052380678

Grupo: 299003_26

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA NOVIEMBRE 2019 VELEZ

INTRODUCCIÓN

Este trabajo nos permite desarrollar laboratorios de tipo virtual, para apropiar y afianzar conocimientos planteados durante el desarrollo del curso, por lo que brinda las oportunidades para generar autoaprendizaje dentro de los entornos virtuales, simulando condiciones cercanas de la realidad, en las cuales se puede entender el componente matemático de la formulación de cada ejercicio.

Actividades a desarrollar Nota inicial aclaratoria: En la presente guía se estipulan tres prácticas virtuales con su respectiva evaluación para el desarrollo del componente práctico del curso. Cabe mencionar que la actividad es individual, por lo cual, es necesario destinar el tiempo necesario para el desarrollo. Recuerde que si hay dudas en manejo de los simuladores o en los resultados obtenidos, el acompañamiento por parte de los docentes del curso será vía correo interno del curso y/o skype. A continuación se describen las prácticas a desarrollar del curso de Física Moderna:

PRÁCTICA LABORATORIO VIRTUAL 1: EL EFECTO FOTOELÉCTRICO. Objetivos.  Calcular la longitud de onda umbral para distintos metales.  Usar dicha longitud de onda para el cálculo de la frecuencia umbral, así como para el cálculo de la energía o trabajo de extracción para dichos metales.  Conocida la longitud de onda umbral, irradiar el metal con una longitud de onda mayor y con dicho valor, calcular la energía cinética máxima de los electrones arrancados.  Relacionar esa energía cinética con el potencial de frenado de los electrones y comprobar en la simulación que ambos coinciden. Introducción: Para el uso y/o manejo del simulador virtual que se desarrollará en esta práctica de laboratorio virtual consulte los siguientes pasos: 1. El simulador para su funcionamiento necesita Java, sino lo tiene instalado en su computador descargue e instale Java desde el siguiente enlace: https://www.java.com/es/download/ 2. En el entorno de aprendizaje práctico ingrese a “Simuladores del curso” y luego descargue el simulador desde el enlace llamado Simulador efecto fotoeléctrico [1]. 3. Cuando este descargando el simulador pueden aparecer advertencias como las siguientes:

Es de aclarar que el archivo no daña el computador y puede descargarlo normalmente haciendo clic en “Descargar”. 4. Una vez descargado podrá abrirlo y visualizar aspectos como los siguientes: 

Permite controlar la intensidad luminosa de la lámpara. Cuanto mayor sea la intensidad, más fotones emite la lámpara y el número de electrones que salen del metal, aumenta. 

Con

este

desplegable, eliges el metal que será iluminado. 

Aquí seleccionas el “color” de la luz que emitirá la lámpara. Se indica el color con la longitud de onda en nanómetros. Si lo haces con el cursor irá de 3 en 3 nm. Pero cuando quieras ir de 1 en 1 nm puedes ir escribiendo el número de la longitud de onda en el visor que hay encima.



Amperímetro. Nos indica la intensidad de corriente eléctrica que pasa por el circuito.



Esta “pila”, representa una fuente de potencial variable. El potencial puede irse variando de 0,20V en 0,20V. Esto nos permitiría medir la energía cinética máxima de los electrones emitidos. Se consigue aplicando una diferencia de potencial V entre las placas que frenen el movimiento de los fotoelectrones emitidos, impidiendo que lleguen a la otra placa. Este potencial de frenado coincidirá con la energía

cinética máxima de los fotoelectrones. Base Teórica. En esta práctica virtual estudiaremos cómo se comporta un metal cuando es iluminado con una luz que puede variar desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. Para que el efecto fotoeléctrico tenga lugar, se coloca dentro de un tubo de vacío, una placa metálica llamado cátodo conectada al polo negativo de la fuente y, por otro lado, conectamos una placa llamada ánodo al polo positivo de la misma fuente. Al iluminar el cátodo puede aparecer una corriente de electrones entre las dos placas y pude medirse mediante el uso de un amperímetro. Se estudiará el efecto fotoeléctrico en diferentes metales (sodio, zinc, cobre, platino, calcio y un metal desconocido). Para todos los metales se sugiere el mismo procedimiento que se explica continuación: 1º. Seleccione el metal en el desplegable. 2º Poner la intensidad de la lámpara al 100%.

3º Calcular la función de trabajo (ϕ ) o energía umbral (también llamada trabajo de extracción). Esta es la energía mínima con la que hay que iluminar el metal para arrancarle un electrón. Para calcularla, realizaremos los siguientes pasos: a) Primero calcular la longitud de onda umbral o de corte (λc) (experimental). Primero llevar el selector de longitudes de ondas hasta el valor más alto posible (a la zona del rojo), pues aquí la energía es menor.

Luego iremos desplazando el selector hacia la zona UV (mayor energía) lentamente hasta que empiecen a salir electrones del metal. Cuando empiecen a salir, moveremos el selector lentamente hacia una lado y hacia otro para ver donde está realmente el “color o longitud de onda” que produce el efecto fotoeléctrico. El problema es que el selector va de 3 en 3 nm. Para calcularlo más exacto, cuando ya tengamos la zona donde se da el efecto fotoeléctrico, iremos escribiendo la longitud de onda (al escribirla nos permite variarla de 1 en 1 nm).

Tendremos la longitud de onda umbral cuando los fotoelectrones salgan muy lentamente y al aumentar la longitud de onda 1nm el efecto no se dé. Por ejemplo: vemos que a 635 no salen electrones, pero a 636 salen, aunque lentos. La longitud de onda umbral será 636nm. Pasamos esta medida a metros (1nm = 10-9 m).

λ c =538 nm=5.38× 10−7 m b) Segundo calcular la frecuencia umbral o de corte ( f c) (experimental). La relación entre la longitud de una onda y su frecuencia viene dada por la expresión: Frecuencia de corte: c f c= λc Ahora bien, aplicando el resultado obtenido en el ítem a) se calcula la frecuencia de corte experimental: 3.00× 108 m/ s 14 f c= =5 . 57621× 10 Hz −7 5 . 38× 10 m Por lo tanto se obtuvo la frecuencia umbral. c) Tercero calcular la función de trabajo experimental (ϕ ) Sabiendo que la energía está relacionada con la frecuencia de corte o con la longitud de onda de corte por las siguientes expresiones (ecuación de Planck): ϕ hc f c = o λc = h ϕ De lo cual:

ϕ=h f c o ϕ=

hc λc

Se tendría que la función de trabajo para el elemento seleccionado es: ϕ=

hc 1240 eV ∙ nm = =2.30483 eV =3.6927444325322× 1019 J λc 538 nm

4º Iluminar el metal con una longitud de onda menor que la umbral, por tanto, con más energía que la necesaria para arrancar los electrones. Lo anterior significa que los electrones arrancados irán más rápidos y llevarán esa energía más

que les ha dado el fotón en forma de energía cinética. La energía se conserva y por tanto la energía que llevan los fotones se emplea en parte en arrancar los electrones y el resto en dar velocidad al electrón. La expresión (dada por Einstein) que rige este fenómeno es: E fotón=K max + ϕ De lo cual, la energía cinética de los electrones desprendidos es: K max =E fotón−ϕ Donde la energía del fotón es E fotón=hf =

hc , como vemos depende de la longitud de λ

onda con que se ilumina el metal. Entonces, la energía cinética de los electrones desprendidos es: hc −ϕ λ Y generalmente se expresa en eV. Recuerde que en este caso λ es la longitud de onda utilizada para iluminar el material. K max =

5º Potencial de frenado. Experimentalmente se puede conocer K max , para ello aplicaremos un potencial que se oponga al movimiento de los fotoelectrones, de modo que incluso los más veloces se vean frenados y no lleguen al electrodo opuesto. A este potencial se le denomina potencial de frenado y, cuando esto ocurre, la energía que se emplea para frenarlos es igual a la energía cinética de los electrones. Confirmación a través del simulador. El valor de K max (en eV) que nos ha dado en el apartado anterior, debe ser igual al potencial de frenado en voltios pero opuesto (signo negativo). Para comprobar si los cálculos realizados anteriormente están bien, vamos a la aplicación y en la “pila” (que representa una fuente de potencial variable) ponemos el valor que hemos obtenido para la energía cinética de los electrones (en eV) y que debe ser el mismo que el potencial de frenado. Al hacerlo veremos que los electrones se ven frenados y que los más rápidos, llegarán hasta el electrodo pero se frenarán y retrocederán justo al límite, sin alcanzar el otro electrodo. Generalmente el potencial de frenado se define como: K max e Y esta dado en voltios.

V o=

Procedimiento. A cada estudiante se le asignará un material y con él debe realizar los cálculos experimentales que se solicita en los siguientes tres ejercicios (la asignación del material la realizará el docente asignado a través del correo interno del curso, por lo cual debe estar muy atento a la información que se le suministrará). Es obligatorio cumplimiento que los cálculos los realice con el materia asignado de lo contrario no tendrá validez. También, es necesario que reporte evidencias fotográficas de lo desarrollado. Material Na Zn Cu Pt Ca

Estudiante Luis Jaime

Ejercicio 1. Cálculo de la energía umbral. Calcule de manera experimental lo siguiente (revisar proceso mostrado en el apartado de base teórica mostrado anteriormente) λ c =538 nm=5.38× 10−7 m

Material

Na Zn Cu Pt Ca

λ c (nm) Valor experimental 538

f c (Hz) Valor experimental 5.57621× 1014 Hz

ϕ (eV)

2.30483 eV

Registre evidencia del valor experimental de la longitud de onda de corte encontrada. Una vez encontrada la función de trabajo experimental, haga una búsqueda de la función de trabajo de corte teórica para el material seleccionado y responda lo siguiente: 1º. Valor teórico de la función de trabajo encontrada:_3.6927444325322× 1019 J 2º. Referencia bibliográfica de donde la obtiene:____________ 3º. Error relativo porcentual entre el valor teórico y el valor experimental de la función de trabajo. 4º. Obtenga una conclusión de los resultados obtenidos, teniendo en cuenta el error encontrado. Ejercicio 2. Cálculo de la Energía cinética de los fotoelectrones. Ilumina en la aplicación el metal asignado con la longitud de onda que se da a continuación según el material y obtenga los siguientes resultados de manera teórica y de manera experimental: Materia l

Na Zn Cu Pt Ca

λ incidente (nm)

Energía del fotón incidente (eV)

400

K max

K max

Potencial de frenado (V)

¿Frenan los electrones? SI/NO

########

De los fotoelectrones (eV) ########

De los fotoelectrones (J) ########

########

########

253

########

########

########

########

########

243

########

########

########

########

########

191

########

########

########

########

########

354

########

########

########

########

########

Nota 1: La intensidad en el simulador debe estar en 100%. Nota 2: En lo cálculos que debe desarrollar recuerde que se debe utilizar la función de trabajo experimental encontrada en el ejercicios 1. Nota 3: Los resultados experimentales aplica para: K max en eV (indague en el simulador para encontrar el valor) y potencial de frenado, por lo cual se deben colocar imágenes de dichos resultados.

Registre dos conclusiones de los resultados obtenidos. Ejercicio 3. Influencia de la intensidad luminosa en el efecto fotoeléctrico. Para estudiar el efecto de la influencia luminosa, ir de nuevo al simulador y realizar lo siguiente para el material seleccionado: 1º. Colocar la intensidad luminosa en 0%,

2º. Selecciona el elemento asignado. 3º. Sabemos, por lo hecho en el ejercicio 1, la longitud umbral para el elemento. Poner en el simulador una longitud de onda que sea 1nm mayor que el valor umbral. 4º. Ahora aumentar la intensidad luminosa poco a poco y anota la corriente que pasa por el Amperímetro. Intensida d luminosa Corriente eléctrica

0%

20%

40%

60%

80%

100%

########

########

########

########

########

########

5º. ¿Qué ha pasado y por qué? No hay flujo de electrones , porque no intensidad sobre el material para ocasionar que haya movimiento de los electrones, de un polo a otro. 6º. Colocar la intensidad luminosa nuevamente en 0%. 7º. Ahora ajustar una longitud de onda de mayor energía a la umbral (puede

seleccionar la que desee pero registrarla aquí: λ=¿ ¿ 8º. Ahora vuelve a ir aumentando la intensidad luminosa poco a poco y anota la corriente que observas en el Amperímetro. Intensida d luminosa Corriente eléctrica

0%

20%

40%

60%

80%

100%

########

########

########

########

########

########

9º. Representa la tabla anterior en una gráfica poniendo en el eje de abscisas la intensidad luminosa y en el eje de ordenadas la corriente eléctrica. 10º. ¿Qué tipo de gráfica obtiene? ¿Qué significa? Colocar evidencia de los procesos anteriores (imágenes claras). Referencias: [1] PhET Interactive Simulations University of Colorado Boulder https://phet.colorado.edu (Todas las simulaciones disponibles en http://phet.colorado.edu son recursos educativos libres que están disponibles bajo la licencia Creative Commons Attribution (CC-BY).) PRÁCTICA LABORATORIO VIRTUAL 2: DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE PLANCK Objetivos.  Calcular la constante de Planck a partir de resultados experimentales.  Seleccionar un material para interactuar y observar el efecto fotoeléctrico. Introducción: En esta práctica se utilizara la aplicación llamada: Simulador efecto fotoeléctrico [1]. Para entender su funcionamiento o partes del mismo consulte la introducción de la práctica 1. Base Teórica. En el efecto fotoeléctrico, la energía cinética de los electrones desprendidos (conocidos como fotoelectrones) está dada: K max =E fotón−ϕ

hc , como vemos depende de la longitud de λ onda con que se ilumina el metal y ϕ es la función de trabajo, que es propia de cada material y corresponde a la energía mínima necesaria para extraer un fotoelectrón del material. Donde la energía del fotón es, E fotón=hf =

Procedimiento: Cada estudiante trabajará con el material asignado en la práctica 1, no se aceptan estudiantes con el mismo material o con un material diferente al asignado) y realice lo indicado a continuación. Es necesario que reporte evidencias fotográficas de lo desarrollado. Material Na Zn Cu Pt Ca

Estudiante Luis Jaime

1. En el simulador seleccione el material asignado. 2. Deslice la intensidad de la fuente al máximo (100%).

3. Haga clic en el botón "Mostrar solo electrones de energía más alta".

4. Haga clic en el botón "Energía de electrón frente a frecuencia lumínica".

5. A partir de la longitud de onda umbral encontrada en la práctica anterior, seleccione cinco longitudes de onda diferentes donde ocurre desprendimiento de electrones y registre la siguiente información:

Dat o 1 2 3 4 5

λ (nm) ######## ######## ######## ######## ########

f (Hz)

K max (eV)

######## ######## ######## ######## ########

######## ######## ######## ######## ########

6. Representa la tabla anterior en una gráfica poniendo en el eje de abscisas la frecuencia y en el eje de ordenadas la energía cinética. 7. Encuentre la ecuación de la recta. 8. Asocie la ecuación de la recta con la ecuación de la energía cinética para los fotoelectrones y encuentre la constante de Planck experimental. 9. Con la relación anterior encuentre la constante de Planck y compárela con el valor

teórico dado por: 4,1356×10-15 eV*s. 10. Obtenga el error porcentual entre el valor teórico y el valor experimental. 11. ¿Qué conclusión obtiene de lo desarrollado? CONCLUSIONES El grupo de estudiantes debe redactar las conclusiones del trabajo realizado en una hoja independiente del resto del trabajo, después del desarrollo de los ejercicios y antes de las referencias bibliográficas. Cada estudiante presenta como mínimo una conclusión. NOTA. Al final de la conclusión, debe indicarse entre paréntesis el nombre del autor y el año de presentación de la misma; por ejemplo; 

Con el desarrollo del presente trabajo colaborativo Fase No 1, se comprendió que en el movimiento circular uniforme, el módulo de la velocidad es constante (Edson Benítez, 2016)



NOTA: En el momento en que el grupo de estudiantes tenga definidas las conclusiones, debe borrar el contenido de la presente hoja.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Las referencias bibliográficas deben presentarse con base en las normas APA. El documento de las normas APA, puede descargarse del entorno de conocimiento del curso de física general.