IGCSE Física

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.

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.

Speed and velocity

Velocidad 速率 is the distance travelled per unit time.

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

Aceleración

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

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.

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.

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.

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.

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:

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.

Densidad is the mass per unit volume.

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,

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.

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:

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:

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

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.

The unit is the newton metre (N m).

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

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

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:

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.

Momento is mass times velocity. It is a vector.

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

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

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.

(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

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).

Energía cinética y potencial

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

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

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.

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 $v^2 = 2g\,\Delta h$:

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:

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.

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.

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:

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.

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.

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.

Presión is the force per unit area.

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:

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.

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

• 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.

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

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.

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.

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.

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.

• 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:

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

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, $p_1 V_1 = p_2 V_2$:

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.

La escala kelvin

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

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

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

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.

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.

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 $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:

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.

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 $100\,{}^{\circ}\text{C}$.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

• 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.

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.

Estos están relacionados mediante la ecuación de la onda:

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

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.

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.

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).

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.

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:

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 $\sin r = 0.57$.)

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 $c$:

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

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.

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.

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.

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.

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:

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.

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.

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 $0.50\ \text{s}$:

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.

• 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.

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).

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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:

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?

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 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.

Ambas son trabajo por unidad de carga:

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 $120 / 60 = 2\ \text{V}$.

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).

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.

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:

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):

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

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 $30\ \text{s}$.

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 $1$.

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.

Componentes del circuito

Debes conocer estos componentes y cómo se comportan:

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.

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

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

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:

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.

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.

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 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.

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.

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 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.

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:

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.

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

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:

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

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.

• 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.

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.

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.

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:

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.

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:

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:

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

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:

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.

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.