Cambios de Estado y Propiedades de la Materia

La materia existe en diferentes estados de agregación, siendo los más comunes sólido, líquido y gaseoso. Estos estados se diferencian por el grado de ordenamiento y la energía cinética de sus partículas constituyentes (átomos, moléculas o iones). Los cambios de estado son transformaciones físicas que ocurren cuando la materia pasa de un estado a otro debido a variaciones de temperatura y/o presión, sin alterar su composición química. Los principales cambios son fusión (sólido a líquido), solidificación (líquido a sólido), vaporización (líquido a gas), condensación (gas a líquido), sublimación (sólido a gas) y deposición o sublimación inversa (gas a sólido). Durante un cambio de estado a presión constante, la temperatura permanece constante mientras coexisten ambas fases.

Las propiedades de la materia se clasifican en físicas y químicas. Las propiedades físicas pueden observarse o medirse sin cambiar la identidad química de la sustancia (e.g., color, densidad, punto de fusión, maleabilidad). Se dividen en extensivas (dependen de la cantidad de materia, como masa y volumen) e intensivas (independientes de la cantidad de materia, como densidad y temperatura de ebullición). Las propiedades químicas describen la capacidad de una sustancia para transformarse en otra (e.g., reactividad, inflamabilidad, acidez).

Preguntas Cambios de Estado y Propiedades

Cuestionario sobre Cambios de Estado y Propiedades de la Materia

1. Durante el proceso de ebullición de un líquido puro a presión constante, ¿qué ocurre con la temperatura del líquido mientras coexisten las fases líquida y gaseosa?

A) La temperatura permanece constante en el punto de ebullición hasta que todo el líquido se convierte en gas. B) La temperatura disminuye debido a la pérdida de energía por evaporación. C) La temperatura aumenta gradualmente hasta que todo el líquido se evapora. D) La temperatura fluctúa dependiendo de la velocidad de calentamiento.

Explicación de la respuesta correcta (A): Durante un cambio de fase de una sustancia pura a presión constante (como la ebullición o la fusión), la energía añadida al sistema se utiliza para romper las fuerzas intermoleculares y realizar el cambio de estado, en lugar de aumentar la energía cinética promedio de las partículas (y por lo tanto, la temperatura). La temperatura se mantiene constante en el punto de ebullición hasta que toda la sustancia ha cambiado de fase.

2. ¿Cuál de las siguientes es una propiedad física intensiva de la materia?

A) Masa B) Densidad C) Volumen D) Longitud

Explicación de la respuesta correcta (B): Las propiedades intensivas no dependen de la cantidad de materia presente. La densidad (masa/volumen) de una sustancia pura es constante independientemente de la cantidad de muestra. La masa, el volumen y la longitud son propiedades extensivas, ya que sus valores cambian con la cantidad de materia.

3. El proceso por el cual un sólido se transforma directamente en gas, sin pasar por el estado líquido, se denomina:

A) Fusión B) Sublimación C) Condensación D) Vaporización

Explicación de la respuesta correcta (B): La sublimación es el cambio de estado directo de sólido a gas. Un ejemplo común es el hielo seco (CO₂ sólido) que sublima a temperatura ambiente. Fusión es sólido a líquido. Vaporización es líquido a gas. Condensación es gas a líquido.

4. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones describe mejor la diferencia entre el estado líquido y el estado gaseoso de una misma sustancia?

A) Las partículas en estado líquido tienen un ordenamiento fijo y vibran en posiciones definidas, mientras que en estado gaseoso se mueven libremente. B) Las partículas en estado líquido están relativamente cerca unas de otras y pueden moverse y deslizarse entre sí, manteniendo un volumen definido pero no una forma fija; en estado gaseoso, las partículas están muy separadas, se mueven caóticamente y ocupan todo el volumen del recipiente. C) Las partículas en estado líquido están muy separadas y no tienen fuerzas de atracción significativas, mientras que en estado gaseoso están más juntas y se atraen fuertemente. D) El estado líquido solo existe a temperaturas muy bajas, mientras que el estado gaseoso solo existe a temperaturas muy altas.

Explicación de la respuesta correcta (B): Los líquidos tienen un volumen definido pero adoptan la forma de su contenedor; sus partículas están en contacto pero pueden moverse. Los gases no tienen forma ni volumen definidos, expandiéndose para llenar cualquier recipiente; sus partículas están muy separadas y se mueven al azar con fuerzas intermoleculares débiles (en gases ideales, nulas). (A) describe un sólido. (C) invierte las características. (D) es incorrecto, los estados dependen de P y T específicas para cada sustancia.

5. La inflamabilidad de la gasolina es un ejemplo de:

A) Propiedad física extensiva. B) Propiedad química. C) Propiedad física intensiva. D) Cambio de estado.

Explicación de la respuesta correcta (B): La inflamabilidad describe la capacidad de una sustancia para arder, lo cual es una reacción química (combustión) que transforma la gasolina en nuevas sustancias (CO₂, H₂O, etc.). Por lo tanto, es una propiedad química. Las propiedades físicas se observan sin cambiar la identidad química.

6. Un diagrama de fases de una sustancia pura muestra las condiciones de temperatura y presión en las que coexisten diferentes fases. El punto triple en este diagrama representa:

A) Las únicas condiciones de temperatura y presión en las que las fases sólida, líquida y gaseosa de la sustancia pueden coexistir en equilibrio. B) La temperatura y presión máximas a las que la sustancia puede existir como líquido. C) El punto donde la densidad del líquido y del gas son iguales. D) La temperatura a la cual la sustancia solo puede existir en estado sólido.

Explicación de la respuesta correcta (A): El punto triple es un punto único en el diagrama de fases (definido por una temperatura y presión específicas) donde las tres fases (sólido, líquido y gas) de una sustancia coexisten en equilibrio termodinámico. (B) se refiere al punto crítico. (C) también se relaciona con el punto crítico.

7. ¿Cuál de los siguientes procesos es endotérmico, es decir, requiere absorción de energía del entorno?

A) Condensación del vapor de agua. B) Solidificación del agua líquida. C) Fusión del hielo. D) Combustión de la madera.

Explicación de la respuesta correcta (C): La fusión (sólido a líquido) es un proceso endotérmico porque se necesita energía para romper parcialmente las fuerzas intermoleculares que mantienen a las partículas en la estructura sólida ordenada. La condensación (gas a líquido) y la solidificación (líquido a sólido) son exotérmicas (liberan energía). La combustión (D) es también una reacción exotérmica.

8. Si se aumenta la presión externa sobre un líquido que se encuentra en su punto de ebullición normal, ¿qué sucederá con su punto de ebullición?

A) El punto de ebullición disminuirá. B) El líquido se solidificará inmediatamente. C) El punto de ebullición permanecerá igual, ya que es una propiedad intrínseca. D) El punto de ebullición aumentará.

Explicación de la respuesta correcta (D): El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual su presión de vapor iguala la presión externa. Si se aumenta la presión externa, se necesitará una mayor presión de vapor (y por lo tanto una mayor temperatura) para que el líquido hierva. Por eso, en una olla a presión, el agua hierve a una temperatura superior a 100°C.

9. La viscosidad de un líquido es una medida de su resistencia a fluir. ¿Cómo se espera que cambie la viscosidad de la mayoría de los líquidos al aumentar la temperatura?

A) La viscosidad no se verá afectada por la temperatura. B) La viscosidad aumentará. C) La viscosidad disminuirá. D) La viscosidad primero aumentará y luego disminuirá.

Explicación de la respuesta correcta (C): Al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética de las moléculas del líquido. Esto debilita las fuerzas intermoleculares que se oponen al flujo, permitiendo que las moléculas se muevan más fácilmente unas sobre otras. Por lo tanto, la viscosidad de la mayoría de los líquidos disminuye con el aumento de la temperatura (ej. la miel fluye más fácilmente cuando está caliente).

10. ¿Cuál de las siguientes es una propiedad química del hierro (Fe)?

A) Es un metal de color gris plateado. B) Se oxida en presencia de aire húmedo para formar herrumbre (óxido de hierro). C) Tiene una densidad de 7.87 g/cm³. D) Es un buen conductor del calor y la electricidad.

Explicación de la respuesta correcta (B): La oxidación del hierro (formación de herrumbre) es una reacción química en la que el hierro se transforma en una nueva sustancia (óxido de hierro). Esto describe su reactividad química. Las opciones A (color), C (densidad) y D (conductividad) son propiedades físicas, ya que se pueden observar o medir sin que el hierro cambie su identidad química.

Magnitudes y Unidades

En la ciencia, una magnitud física es cualquier propiedad de un cuerpo o fenómeno que puede ser medida y expresada cuantitativamente. Medir implica comparar una magnitud con una cantidad estándar de la misma naturaleza, denominada unidad. Las magnitudes se clasifican en fundamentales y derivadas. Las magnitudes fundamentales son aquellas que se definen por sí mismas y no dependen de otras (e.g., longitud, masa, tiempo, temperatura). Las magnitudes derivadas se obtienen a partir de la combinación matemática de las fundamentales (e.g., velocidad, área, densidad, fuerza).

El Sistema Internacional de Unidades (SI) es el sistema estándar adoptado globalmente para la ciencia, la tecnología y el comercio. Define siete unidades fundamentales: metro (m) para longitud, kilogramo (kg) para masa, segundo (s) para tiempo, amperio (A) para corriente eléctrica, kelvin (K) para temperatura termodinámica, mol (mol) para cantidad de sustancia y candela (cd) para intensidad luminosa. A partir de estas, se derivan todas las demás unidades.

La correcta utilización de unidades y la conversión entre ellas son cruciales para la precisión y la comunicación en la ciencia. Los prefijos del SI (como kilo-, mili-, micro-) se utilizan para expresar múltiplos y submúltiplos de las unidades, facilitando el manejo de cantidades muy grandes o muy pequeñas.

Preguntas Magnitudes y Unidades

Cuestionario sobre Magnitudes y Unidades

1. ¿Cuál de las siguientes opciones representa una magnitud física fundamental en el Sistema Internacional de Unidades (SI) y su unidad correspondiente?

A) Velocidad - metro por segundo (m/s) B) Fuerza - Newton (N) C) Temperatura termodinámica - Kelvin (K) D) Energía - Joule (J)

Explicación de la respuesta correcta (C): El SI define siete magnitudes fundamentales. La temperatura termodinámica es una de ellas, y su unidad es el Kelvin (K). La velocidad (A) es derivada (longitud/tiempo). La fuerza (B) es derivada (masa*aceleración). La energía (D) es derivada (fuerza*distancia).

2. Un estudiante mide la longitud de un objeto como 0.025 metros. ¿Cómo se expresaría esta longitud en milímetros (mm) y en micrómetros (µm)?

A) 2.5 mm y 2500 µm B) 25 mm y 25000 µm C) 0.25 mm y 250 µm D) 250 mm y 250000 µm

Explicación de la respuesta correcta (B): 1 metro (m) = 1000 milímetros (mm). 0.025 m * (1000 mm / 1 m) = 25 mm. 1 metro (m) = 1,000,000 micrómetros (µm) (o 1 mm = 1000 µm). 25 mm * (1000 µm / 1 mm) = 25000 µm. O directamente: 0.025 m * (1,000,000 µm / 1 m) = 25000 µm.

3. La densidad de un material es una magnitud derivada que se define como masa por unidad de volumen. Si la masa se mide en kilogramos (kg) y el volumen en metros cúbicos (m³), ¿cuál es la unidad de la densidad en el SI?

A) kg/m B) kg·m³ C) m³/kg D) kg/m³

Explicación de la respuesta correcta (D): Densidad (ρ) = Masa (m) / Volumen (V). Si la unidad de masa es kg y la unidad de volumen es m³, entonces la unidad de densidad es kg/m³.

4. El prefijo "nano" (n) en el Sistema Internacional de Unidades representa un factor de:

A) 10^-3 B) 10^-6 C) 10^-9 D) 10^-12

Explicación de la respuesta correcta (C): El prefijo "nano" (símbolo n) significa una milmillonésima parte, es decir, un factor de 10^-9. Por ejemplo, un nanómetro (nm) es 10^-9 metros. 10^-3 es mili (m). 10^-6 es micro (µ). 10^-12 es pico (p).

5. ¿Cuál de las siguientes opciones NO es una unidad de energía en el Sistema Internacional (o una unidad comúnmente aceptada junto al SI)?

A) Joule (J) B) Caloría (cal) C) Pascal (Pa) D) Kilovatio-hora (kWh)

Explicación de la respuesta correcta (C): El Pascal (Pa) es la unidad de presión en el SI (N/m²). El Joule (J) es la unidad de energía en el SI. La caloría (cal) es una unidad de energía comúnmente usada (1 cal ≈ 4.184 J). El kilovatio-hora (kWh) es una unidad de energía utilizada frecuentemente para la energía eléctrica (1 kWh = 3.6 x 10⁶ J).

6. Un automóvil viaja a una velocidad constante de 72 kilómetros por hora (km/h). ¿Cuál es su velocidad expresada en metros por segundo (m/s)?

A) 10 m/s B) 20 m/s C) 36 m/s D) 259.2 m/s

Explicación de la respuesta correcta (B): 1 km = 1000 m 1 hora = 3600 s Velocidad = 72 km/h * (1000 m / 1 km) * (1 h / 3600 s) Velocidad = (72 * 1000) / 3600 m/s Velocidad = 72000 / 3600 m/s Velocidad = 20 m/s.

7. La cantidad de sustancia es una magnitud fundamental en el SI. Su unidad es el mol. ¿Cómo se define un mol?

A) La masa de una sustancia que ocupa un volumen de 22.4 litros en condiciones estándar. B) La cantidad de sustancia que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0.012 kilogramos de carbono-12. C) La masa atómica de un elemento expresada en gramos. D) Un número fijo de partículas igual a 10²³.

Explicación de la respuesta correcta (B): La definición formal del mol (redefinida en 2019, pero basada en el concepto anterior) se vincula a la constante de Avogadro, que es el número de entidades elementales (átomos, moléculas, etc.) en un mol. Históricamente y conceptualmente, un mol es la cantidad de sustancia que contiene el mismo número de entidades elementales que átomos hay en 12 gramos (0.012 kg) del isótopo carbono-12. Ese número es el Número de Avogadro (aproximadamente 6.022 x 10²³).

8. Si la presión se define como Fuerza / Área, y la unidad de Fuerza en el SI es el Newton (N = kg·m/s²) y la unidad de Área es m², ¿cuáles son las unidades fundamentales del Pascal (Pa), la unidad de presión del SI?

A) kg·m^-1·s^-2 B) kg·m·s^-1 C) kg·m²·s^-2 D) kg^-1·m·s²

Explicación de la respuesta correcta (A): Presión (Pa) = Fuerza (N) / Área (m²) Fuerza (N) = kg·m·s^-2 Área = m² Presión (Pa) = (kg·m·s^-2) / (m²) = kg·m·s^-2·m^-2 = kg·m^(1-2)·s^-2 = kg·m^-1·s^-2.

9. Un amperio (A), la unidad SI de corriente eléctrica, se define en términos de:

A) La cantidad de carga (Coulombs) que pasa por un punto en un segundo. B) La diferencia de potencial (Voltios) necesaria para mover un Coulomb de carga. C) La resistencia (Ohms) de un conductor al paso de la corriente. D) La fuerza magnética entre dos conductores paralelos. (Esta es la base de la definición formal, aunque la opción A es una consecuencia directa)

Explicación de la respuesta correcta (A): Aunque la definición formal del amperio (hasta la redefinición de 2019) se basaba en la fuerza entre conductores, una definición conceptual y práctica derivada es que un amperio es el flujo de un Coulomb de carga por segundo (1 A = 1 C/s). La redefinición de 2019 fija el valor de la carga elemental 'e', y el amperio se define en términos de este flujo de carga. La opción D alude a la definición anterior, pero la A es la relación fundamental entre corriente, carga y tiempo.

10. ¿Cuál de las siguientes NO es una magnitud física?

A) La belleza de una pintura. B) La temperatura de ebullición del agua. C) El volumen de una esfera. D) La intensidad luminosa de una bombilla.

Explicación de la respuesta correcta (A): Una magnitud física es una propiedad que puede ser medida y expresada cuantitativamente con un número y una unidad. La belleza es una cualidad subjetiva y no se puede medir de forma objetiva y universal con un instrumento o procedimiento estandarizado. La temperatura, el volumen y la intensidad luminosa son todas magnitudes físicas medibles.

Movimiento Rectilíneo y Uniformemente Acelerado

El movimiento rectilíneo describe el desplazamiento de un objeto a lo largo de una línea recta. Cuando la velocidad del objeto permanece constante en magnitud y dirección, se denomina Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU). En el MRU, la aceleración es cero y la distancia recorrida es directamente proporcional al tiempo transcurrido (d = v·t).

Un caso más complejo es el Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado (MRUA), también conocido como Movimiento Uniformemente Variado (MUV). En este tipo de movimiento, la velocidad del objeto cambia a una tasa constante, lo que significa que la aceleración es constante y diferente de cero. Si la aceleración tiene el mismo sentido que la velocidad, el movimiento es acelerado; si tiene sentido opuesto, es retardado o desacelerado.

Preguntas Movimiento Rectilíneo

Cuestionario sobre Movimiento Rectilíneo y Uniformemente Acelerado

1. Un objeto parte del reposo y acelera uniformemente a 2 m/s² durante 5 segundos. ¿Qué distancia recorre en este tiempo?

A) 10 metros B) 25 metros C) 20 metros D) 50 metros

Explicación de la respuesta correcta (B): Datos: v_o = 0 m/s (parte del reposo), a = 2 m/s², t = 5 s. Usamos la ecuación: d = v_o·t + (1/2)·a·t² d = (0 m/s)·(5 s) + (1/2)·(2 m/s²)·(5 s)² d = 0 + (1 m/s²)·(25 s²) d = 25 metros.

2. Un coche se mueve a una velocidad constante de 90 km/h. Si se considera un movimiento rectilíneo uniforme, ¿cuál es su aceleración?

A) 0 m/s² B) 9.8 m/s² C) 90 m/s² D) No se puede determinar sin conocer el tiempo.

Explicación de la respuesta correcta (A): En un Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU), la velocidad es constante. Si la velocidad no cambia, la aceleración, que es el cambio de velocidad por unidad de tiempo, es cero.

3. Un objeto es lanzado verticalmente hacia arriba con una velocidad inicial de 30 m/s. Despreciando la resistencia del aire y tomando g = 10 m/s², ¿cuál es la altura máxima que alcanza?

A) 30 metros B) 60 metros C) 45 metros D) 90 metros

Explicación de la respuesta correcta (C): Datos: v_o = 30 m/s, a = -g = -10 m/s² (negativa porque se opone al movimiento inicial). En la altura máxima, v_f = 0 m/s. Usamos la ecuación: v_f² = v_o² + 2·a·d 0² = (30 m/s)² + 2·(-10 m/s²)·d 0 = 900 m²/s² - (20 m/s²)·d (20 m/s²)·d = 900 m²/s² d = 900 m²/s² / 20 m/s² d = 45 metros.

4. Si la gráfica de velocidad versus tiempo (v vs t) para un objeto en movimiento rectilíneo es una línea recta horizontal por encima del eje del tiempo, esto indica que el objeto:

A) Está en reposo. B) Se mueve con aceleración constante positiva. C) Se mueve con aceleración constante negativa. D) Se mueve con velocidad constante positiva (MRU).

Explicación de la respuesta correcta (D): Una línea recta horizontal en una gráfica v vs t significa que la velocidad no cambia con el tiempo, es decir, es constante. Si está por encima del eje del tiempo, la velocidad es positiva. Esto corresponde a un Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU). Si estuviera en reposo (A), la línea estaría sobre el eje t (v=0). Si tuviera aceleración constante (B o C), la línea sería una recta inclinada.

5. Un tren frena uniformemente desde una velocidad de 25 m/s hasta detenerse en 50 metros. ¿Cuál fue su aceleración (considerada negativa ya que es un frenado)?

A) -6.25 m/s² B) -5.00 m/s² C) -2.50 m/s² D) -0.50 m/s²

Explicación de la respuesta correcta (A): Datos: v_o = 25 m/s, v_f = 0 m/s (se detiene), d = 50 m. Usamos la ecuación: v_f² = v_o² + 2·a·d 0² = (25 m/s)² + 2·a·(50 m) 0 = 625 m²/s² + (100 m)·a -(100 m)·a = 625 m²/s² a = -625 m²/s² / 100 m a = -6.25 m/s².

6. En un Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado (MRUA), si la aceleración y la velocidad inicial tienen signos opuestos, el objeto:

A) Disminuirá su rapidez hasta detenerse momentáneamente y luego podría invertir su dirección de movimiento, aumentando su rapidez en sentido contrario. B) Siempre aumentará su rapidez. C) Mantendrá una velocidad constante. D) Se moverá en círculos.

Explicación de la respuesta correcta (A): Si la aceleración tiene signo opuesto a la velocidad inicial, significa que la aceleración se opone al movimiento inicial. Esto causará que la magnitud de la velocidad (rapidez) disminuya. Si la aceleración se mantiene, el objeto eventualmente se detendrá (v_f = 0) y, si la aceleración persiste, comenzará a moverse en la dirección de la aceleración, aumentando su rapidez en esa nueva dirección.

7. Un objeto cae libremente desde una altura de 80 metros. ¿Cuánto tiempo tarda en llegar al suelo? (Desprecie la resistencia del aire, tome g = 10 m/s²).

A) 2 segundos B) 8 segundos C) 16 segundos D) 4 segundos

Explicación de la respuesta correcta (D): Datos: d = 80 m, v_o = 0 m/s (cae libremente), a = g = 10 m/s². Usamos la ecuación: d = v_o·t + (1/2)·a·t² 80 m = (0 m/s)·t + (1/2)·(10 m/s²)·t² 80 m = (5 m/s²)·t² t² = 80 m / 5 m/s² t² = 16 s² t = √16 s² = 4 segundos.

8. Dos coches, A y B, parten del mismo punto y se mueven en la misma dirección. El coche A se mueve con MRU a 20 m/s. El coche B parte del reposo 2 segundos después que A y se mueve con MRUA con una aceleración de 5 m/s². ¿En qué instante de tiempo (medido desde que partió A) el coche B alcanza al coche A?

A) Aproximadamente 11.66 s B) Aproximadamente 8.00 s C) Aproximadamente 10.00 s D) Aproximadamente 6.32 s

Explicación de la respuesta correcta (A): Sea t el tiempo desde que partió A. Distancia de A: d_A = v_A·t = 20t Tiempo de B: t_B = t - 2 (porque parte 2s después) Distancia de B: d_B = v_oB·t_B + (1/2)·a_B·t_B² = 0·(t-2) + (1/2)·5·(t-2)² = 2.5(t-2)² Cuando B alcanza a A, d_A = d_B: 20t = 2.5(t-2)² 20t = 2.5(t² - 4t + 4) 8t = t² - 4t + 4 0 = t² - 12t + 4 Usando la fórmula cuadrática: t = [ -(-12) ± √((-12)² - 4·1·4) ] / (2·1) t = [ 12 ± √(144 - 16) ] / 2 t = [ 12 ± √128 ] / 2 t = [ 12 ± 8√2 ] / 2 = 6 ± 4√2 Como t_B > 0, entonces t > 2. La solución válida es t = 6 + 4√2 ≈ 6 + 4(1.4142) ≈ 6 + 5.6568 ≈ 11.6568 s.

9. La pendiente de una gráfica de posición versus tiempo (x vs t) para un objeto en movimiento rectilíneo representa:

A) La aceleración del objeto. B) La distancia total recorrida. C) La velocidad instantánea del objeto. D) El tiempo transcurrido.

Explicación de la respuesta correcta (C): La velocidad se define como el cambio de posición (Δx) dividido por el cambio de tiempo (Δt). En una gráfica x vs t, la pendiente de la línea (o la tangente a la curva en un punto) es Δx/Δt, que corresponde a la velocidad. Si el movimiento no es uniforme, la pendiente de la tangente en un punto específico da la velocidad instantánea.

10. ¿Qué condición es necesaria para que un objeto esté experimentando un Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU)?

A) La fuerza neta sobre el objeto es constante y diferente de cero. B) La fuerza neta sobre el objeto es cero. C) La velocidad del objeto cambia uniformemente con el tiempo. D) La aceleración del objeto es constante y diferente de cero.

Explicación de la respuesta correcta (B): Según la Primera Ley de Newton (Ley de Inercia), un objeto permanecerá en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme a menos que una fuerza neta externa actúe sobre él. Si un objeto se mueve con MRU, su velocidad es constante, lo que significa que su aceleración es cero. Por la Segunda Ley de Newton (F=ma), si la aceleración es cero, la fuerza neta también debe ser cero.

Fuerza y Leyes de Newton

Una fuerza es una interacción que, sin oposición, cambiará el movimiento de un objeto. Puede causar que un objeto con masa cambie su velocidad (acelerar), es decir, es un agente capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo, o de producirle una deformación. Las fuerzas son magnitudes vectoriales, poseyendo magnitud, dirección y sentido.

Sir Isaac Newton formuló tres leyes fundamentales que describen la relación entre las fuerzas y el movimiento:

Primera Ley (Ley de Inercia): Un objeto en reposo permanece en reposo, y un objeto en movimiento continúa en movimiento con velocidad constante (en línea recta), a menos que una fuerza neta externa actúe sobre él.

Segunda Ley (Ley Fundamental de la Dinámica): La aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa. La dirección de la aceleración es la misma que la de la fuerza neta.

Tercera Ley (Ley de Acción y Reacción): Por cada acción, existe una reacción igual y opuesta. Si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre un cuerpo B, entonces el cuerpo B ejerce una fuerza de igual magnitud y dirección opuesta sobre el cuerpo A.

Preguntas Fuerza y Leyes de Newton

Cuestionario sobre Fuerza y Leyes de Newton

1. Un libro de 2 kg de masa está en reposo sobre una mesa horizontal. ¿Cuál es la magnitud de la fuerza normal ejercida por la mesa sobre el libro? (Considere g = 9.8 m/s²)

A) 0 N B) 2 N C) 9.8 N D) 19.6 N

Explicación de la respuesta correcta (D): El libro está en reposo, por lo que la fuerza neta sobre él es cero (Primera Ley de Newton). Las fuerzas verticales que actúan sobre el libro son su peso (P = m·g) hacia abajo y la fuerza normal (N) ejercida por la mesa hacia arriba. P = (2 kg) * (9.8 m/s²) = 19.6 N. Como la fuerza neta es cero, N - P = 0, entonces N = P = 19.6 N.

2. Si una fuerza neta constante actúa sobre un objeto, ¿qué se puede afirmar sobre su movimiento según la Segunda Ley de Newton?

A) El objeto se moverá con velocidad constante. B) El objeto experimentará una aceleración constante. C) El objeto permanecerá en reposo. D) La aceleración del objeto será cero.

Explicación de la respuesta correcta (B): La Segunda Ley de Newton establece que F_neta = m·a. Si la fuerza neta (F_neta) es constante y la masa (m) del objeto es constante, entonces la aceleración (a) también debe ser constante. Una velocidad constante (A) o el reposo (C) implican aceleración cero (D), lo que significaría una fuerza neta cero.

3. Un astronauta en el espacio, lejos de cualquier influencia gravitatoria significativa, lanza una herramienta con una fuerza F. Según la Tercera Ley de Newton, ¿qué sucede?

A) Solo la herramienta se mueve, ya que el astronauta tiene mayor masa. B) La herramienta ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el astronauta, haciendo que ambos se muevan en direcciones opuestas (si inicialmente estaban en reposo relativo). C) La herramienta no ejerce ninguna fuerza sobre el astronauta. D) La fuerza que la herramienta ejerce sobre el astronauta es menor que F, debido a la menor masa de la herramienta.

Explicación de la respuesta correcta (B): La Tercera Ley de Newton (acción y reacción) establece que si el astronauta ejerce una fuerza sobre la herramienta (acción), la herramienta ejerce una fuerza de igual magnitud y dirección opuesta sobre el astronauta (reacción). Ambas fuerzas son iguales en magnitud. Aunque las aceleraciones resultantes serán diferentes debido a las diferentes masas (a = F/m), las fuerzas son iguales.

4. Un objeto de masa 'm' se desliza por un plano inclinado sin fricción. La fuerza que causa su aceleración a lo largo del plano es:

A) La fuerza normal ejercida por el plano. B) El peso total del objeto (m·g). C) La componente del peso paralela al plano inclinado. D) No hay aceleración si no hay fricción.

Explicación de la respuesta correcta (C): El peso (m·g) del objeto actúa verticalmente hacia abajo. En un plano inclinado, este peso se puede descomponer en dos componentes: una perpendicular al plano (equilibrada por la fuerza normal) y otra paralela al plano. Es esta componente paralela la que no está equilibrada (en ausencia de fricción) y causa la aceleración del objeto a lo largo del plano.

5. La inercia de un objeto es una medida de su:

A) Peso. B) Velocidad. C) Resistencia a cambiar su estado de movimiento. D) Aceleración cuando se le aplica una fuerza.

Explicación de la respuesta correcta (C): La inercia es la propiedad de la materia por la cual un objeto tiende a resistir cualquier cambio en su estado de movimiento (ya sea reposo o movimiento uniforme). La masa es una medida cuantitativa de la inercia; cuanto mayor es la masa, mayor es la inercia y más difícil es cambiar su estado de movimiento.

6. Si la fuerza neta que actúa sobre un objeto es cero, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es SIEMPRE verdadera?

A) El objeto está en reposo. B) El objeto se mueve con velocidad constante (que puede ser cero). C) El objeto está acelerando. D) El objeto no tiene masa.

Explicación de la respuesta correcta (B): Según la Primera Ley de Newton, si la fuerza neta es cero, el objeto no acelera. Esto significa que su velocidad permanece constante. Si estaba en reposo (velocidad cero), permanecerá en reposo. Si estaba en movimiento, continuará moviéndose con esa misma velocidad constante. Por lo tanto, la afirmación más general es que se mueve con velocidad constante (el reposo es un caso especial de velocidad constante igual a cero).

7. Un objeto de 5 kg experimenta una aceleración de 3 m/s². ¿Cuál es la magnitud de la fuerza neta que actúa sobre el objeto?

A) 1.67 N B) 5 N C) 15 N D) 8 N

Explicación de la respuesta correcta (C): Según la Segunda Ley de Newton: F_neta = m·a. Datos: m = 5 kg, a = 3 m/s². F_neta = (5 kg) * (3 m/s²) = 15 kg·m/s² = 15 N.

8. Cuando saltas hacia arriba, la Tierra ejerce una fuerza gravitatoria sobre ti hacia abajo. Según la Tercera Ley de Newton, tú ejerces una fuerza sobre la Tierra que es:

A) De igual magnitud y hacia arriba. B) De menor magnitud y hacia arriba, porque tu masa es menor. C) De igual magnitud y hacia abajo. D) De mayor magnitud y hacia arriba, para poder impulsarte.

Explicación de la respuesta correcta (A): La Tercera Ley de Newton establece que las fuerzas de acción y reacción son iguales en magnitud y opuestas en dirección. Si la Tierra te atrae hacia abajo con una fuerza (tu peso), tú atraes a la Tierra hacia arriba con una fuerza de la misma magnitud. La Tierra apenas acelera debido a su enorme masa, pero la fuerza existe.

9. Un coche se mueve a velocidad constante por una carretera horizontal. ¿Qué se puede concluir sobre la fuerza neta que actúa sobre el coche?

A) La fuerza neta es igual a la fuerza del motor. B) La fuerza neta es cero. C) La fuerza neta es igual a la fuerza de fricción. D) La fuerza neta es positiva en la dirección del movimiento.

Explicación de la respuesta correcta (B): Si el coche se mueve a velocidad constante, su aceleración es cero. Según la Segunda Ley de Newton (F_neta = m·a), si la aceleración es cero, la fuerza neta también debe ser cero. Esto significa que la fuerza del motor está equilibrada por las fuerzas de fricción y resistencia del aire.

10. Dos fuerzas, F₁ = 10 N hacia el este y F₂ = 6 N hacia el oeste, actúan simultáneamente sobre un objeto de 2 kg. ¿Cuál es la magnitud y dirección de la aceleración del objeto?

A) 2 m/s² hacia el este. B) 8 m/s² hacia el este. C) 4 m/s² hacia el oeste. D) 16 m/s² hacia el este.

Explicación de la respuesta correcta (A): Considerando el este como positivo y el oeste como negativo: Fuerza neta (F_neta) = F₁ + F₂ = 10 N + (-6 N) = 4 N hacia el este. Masa (m) = 2 kg. Según la Segunda Ley de Newton: F_neta = m·a 4 N = (2 kg)·a a = 4 N / 2 kg = 2 m/s². Como la fuerza neta es hacia el este, la aceleración también es hacia el este.

Trabajo, Energía y Potencia

En física, el trabajo (W) se define como la energía transferida hacia o desde un objeto mediante la aplicación de una fuerza a lo largo de un desplazamiento. Si la fuerza es constante y actúa en la dirección del desplazamiento, W = F·d. Si la fuerza forma un ángulo θ con el desplazamiento. El trabajo es una magnitud escalar y su unidad en el SI es el Joule (J).

La energía (E) es la capacidad para realizar trabajo. Existe en diversas formas, como la energía cinética , asociada al movimiento, y la energía potencial (E<sub>p</sub>), asociada a la posición o configuración. La energía potencial gravitatoria depende de la altura, y la energía potencial elástica de la deformación de un resorte. El principio de conservación de la energía mecánica establece que, en ausencia de fuerzas no conservativas (como la fricción), la energía mecánica total de un sistema aislado permanece constante.

La potencia (P) es la rapidez con la que se realiza trabajo o se transfiere energía. Se define como P = W/t o P = ΔE/t. Su unidad en el SI es el Watt (W), que equivale a un Joule por segundo (J/s).

Preguntas Trabajo, Energía y Potencia

Cuestionario sobre Trabajo, Energía y Potencia

1. Un objeto de 4 kg se eleva verticalmente una distancia de 5 metros a velocidad constante. ¿Cuál es el trabajo realizado por la fuerza que eleva el objeto? (Considere g = 9.8 m/s²)

A) 20 J B) 39.2 J C) 196 J D) 98 J

Explicación de la respuesta correcta (C): Para elevar el objeto a velocidad constante, la fuerza aplicada (F) debe ser igual en magnitud a su peso (P = m·g). P = (4 kg) * (9.8 m/s²) = 39.2 N. Entonces, F = 39.2 N. El trabajo realizado es W = F·d·cos(θ). Como la fuerza y el desplazamiento son en la misma dirección (vertical hacia arriba), θ = 0° y cos(0°) = 1. W = (39.2 N) * (5 m) * 1 = 196 J. Alternativamente, el trabajo realizado es igual al cambio en la energía potencial gravitatoria: ΔE_pg = mgh = (4 kg)(9.8 m/s²)(5 m) = 196 J.

2. Si la velocidad de un objeto se duplica, ¿cómo cambia su energía cinética?

A) Se duplica. B) Se cuadruplica. C) Se reduce a la mitad. D) No cambia.

Explicación de la respuesta correcta (B): La energía cinética (E_c) es ½mv². Si la velocidad inicial es v, E_c1 = ½mv². Si la nueva velocidad es v' = 2v, entonces E_c2 = ½m(2v)² = ½m(4v²) = 4(½mv²) = 4E_c1. Por lo tanto, la energía cinética se cuadruplica.

3. Una grúa levanta una carga de 1000 kg a una altura de 10 metros en 20 segundos. ¿Cuál es la potencia promedio desarrollada por la grúa? (Considere g = 10 m/s²)

A) 500 W B) 2000 W C) 5000 W D) 10000 W

Explicación de la respuesta correcta (C): Trabajo realizado (W) = Cambio en energía potencial gravitatoria = mgh W = (1000 kg) * (10 m/s²) * (10 m) = 100,000 J. Potencia (P) = Trabajo (W) / Tiempo (t) P = 100,000 J / 20 s = 5000 J/s = 5000 W.

4. El teorema del trabajo y la energía establece que:

A) El trabajo realizado por la fuerza neta sobre un objeto es igual al cambio en su energía potencial. B) La energía mecánica total de un sistema aislado siempre se conserva. C) El trabajo realizado por la fuerza neta sobre un objeto es igual al cambio en su energía cinética. D) La potencia es igual al producto de la fuerza por la velocidad.

Explicación de la respuesta correcta (C): El teorema del trabajo y la energía (o trabajo-energía cinética) establece que el trabajo neto realizado por todas las fuerzas que actúan sobre un objeto es igual al cambio en la energía cinética de ese objeto (W_neta = ΔE_c = E_cf - E_co). (B) es el principio de conservación de la energía mecánica, que aplica si solo actúan fuerzas conservativas.

5. Un objeto de 2 kg se deja caer desde una altura de 10 m. Despreciando la resistencia del aire, ¿cuál es su energía cinética justo antes de tocar el suelo? (Considere g = 10 m/s²)

A) 20 J B) 100 J C) 200 J D) No se puede determinar sin conocer la velocidad final.

Explicación de la respuesta correcta (C): Por conservación de la energía mecánica (ya que se desprecia la fricción): Energía mecánica inicial (en la altura) = Energía mecánica final (justo antes de tocar el suelo). E_po + E_co = E_pf + E_cf mgh + 0 = 0 + E_cf (Parte del reposo, altura final es cero). E_cf = mgh = (2 kg) * (10 m/s²) * (10 m) = 200 J. La energía potencial gravitatoria inicial se convierte completamente en energía cinética final.

6. ¿En cuál de las siguientes situaciones NO se realiza trabajo mecánico sobre el objeto, según la definición física de trabajo?

A) Empujar una pared que no se mueve. B) Levantar una maleta del suelo hasta una mesa. C) Un coche que acelera en una carretera horizontal. D) Un satélite que orbita la Tierra en una trayectoria circular a velocidad constante.

Explicación de la respuesta correcta (A): Trabajo (W) = F·d·cos(θ). Para que se realice trabajo, debe haber un desplazamiento (d > 0) en la dirección (o una componente de la dirección) de la fuerza. (A) Aunque se aplica una fuerza, la pared no se mueve (d=0), por lo tanto, W=0. (B) Hay fuerza y desplazamiento en la misma dirección. (C) La fuerza del motor produce un desplazamiento y un cambio en la energía cinética. (D) En una órbita circular a velocidad constante, la fuerza gravitatoria es perpendicular al desplazamiento instantáneo del satélite (θ=90°, cos(90°)=0), por lo que el trabajo realizado por la fuerza gravitatoria es cero. Sin embargo, la pregunta es más general, y "empujar una pared" es el caso más claro de no trabajo por d=0. *Nota: Si bien la fuerza gravitatoria en (D) no realiza trabajo, otras fuerzas podrían hacerlo para mantener la órbita o cambiarla. Pero la A es el ejemplo canónico de no trabajo por desplazamiento nulo.*

7. La energía potencial elástica almacenada en un resorte comprimido o estirado una distancia 'x' desde su posición de equilibrio es proporcional a:

A) x (el desplazamiento) B) x² (el cuadrado del desplazamiento) C) 1/x (el inverso del desplazamiento) D) √x (la raíz cuadrada del desplazamiento)

Explicación de la respuesta correcta (B): La energía potencial elástica (E_pe) almacenada en un resorte ideal se calcula como E_pe = ½kx², donde k es la constante del resorte y x es el desplazamiento desde la posición de equilibrio. Por lo tanto, la energía es proporcional al cuadrado del desplazamiento.

8. Un motor realiza un trabajo de 6000 Joules en 1 minuto. ¿Cuál es la potencia desarrollada por el motor?

A) 100 W B) 6000 W C) 360 W D) 0.1 W

Explicación de la respuesta correcta (A): Trabajo (W) = 6000 J. Tiempo (t) = 1 minuto = 60 segundos. Potencia (P) = W / t = 6000 J / 60 s = 100 J/s = 100 W.

9. Si la fuerza de fricción realiza un trabajo negativo sobre un objeto que se desliza por una superficie horizontal, esto significa que:

A) La energía cinética del objeto aumenta. B) La fuerza de fricción actúa en la misma dirección que el desplazamiento. C) La energía mecánica total del sistema objeto-superficie se conserva perfectamente. D) La fuerza de fricción se opone al movimiento y la energía mecánica del objeto (o del sistema, si se considera como disipación) disminuye.

Explicación de la respuesta correcta (D): El trabajo es negativo cuando la fuerza (o una componente de ella) actúa en dirección opuesta al desplazamiento (cos(180°) = -1). La fuerza de fricción siempre se opone al movimiento relativo. El trabajo realizado por la fricción disipa energía mecánica, generalmente convirtiéndola en calor, por lo que la energía mecánica del objeto (y del sistema si no se incluye el calor) disminuye.

10. Una persona sostiene una pesa de 10 kg a una altura constante de 1.5 metros sobre el suelo durante 30 segundos. ¿Cuánto trabajo realiza la persona sobre la pesa durante esos 30 segundos?

A) 0 J B) 150 J (asumiendo g=10 m/s²) C) 4500 J (asumiendo g=10 m/s²) D) 5 J (asumiendo g=10 m/s²)

Explicación de la respuesta correcta (A): Para que se realice trabajo mecánico, debe haber un desplazamiento en la dirección de la fuerza aplicada. Si la persona sostiene la pesa a una altura constante, no hay desplazamiento vertical (d=0 en la dirección de la fuerza que sostiene la pesa). Por lo tanto, el trabajo realizado por la persona sobre la pesa, en el sentido de levantarla o moverla, es cero durante el tiempo que la sostiene inmóvil. (Se está realizando un esfuerzo fisiológico, pero no trabajo físico en el sentido de la definición W=F·d).

Electricidad Básica y Circuitos

La electricidad es un conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de carga eléctrica. La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia, existiendo en dos tipos: positiva y negativa. Cargas iguales se repelen y cargas opuestas se atraen. La unidad de carga eléctrica en el SI es el Coulomb (C).

Un circuito eléctrico es una trayectoria cerrada por la cual puede fluir una corriente eléctrica. Los componentes básicos de un circuito simple incluyen una fuente de voltaje (o diferencia de potencial, medida en Volts, V), que proporciona la "fuerza" para mover las cargas; conductores (generalmente metales como el cobre), que permiten el flujo fácil de electrones; y una carga o resistencia (medida en Ohms, Ω), que se opone al flujo de corriente y convierte la energía eléctrica en otra forma (luz, calor, etc.).

La corriente eléctrica (I), medida en Amperios (A), es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo. La Ley de Ohm establece la relación entre voltaje, corriente y resistencia en muchos materiales: V = I·R. La potencia eléctrica (P), medida en Watts (W), es la tasa a la que se transfiere energía eléctrica y se calcula como P = V·I. Los circuitos pueden ser en serie, donde la corriente es la misma a través de todos los componentes, o en paralelo, donde el voltaje es el mismo a través de todos los componentes.

Preguntas Electricidad Básica y Circuitos

Cuestionario sobre Electricidad Básica y Circuitos

1. Si se aplica una diferencia de potencial de 12 V a una resistencia de 4 Ω, ¿cuál es la corriente que fluye a través de la resistencia?

A) 0.33 A B) 3 A C) 48 A D) 8 A

Explicación de la respuesta correcta (B): Según la Ley de Ohm: V = I·R. Despejando la corriente (I): I = V / R. Datos: V = 12 V, R = 4 Ω. I = 12 V / 4 Ω = 3 A.

2. En un circuito en serie con tres resistencias diferentes, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es correcta?

A) El voltaje es el mismo a través de cada resistencia. B) La corriente es la misma a través de cada resistencia. C) La resistencia total es menor que la resistencia individual más pequeña. D) La corriente se divide entre las resistencias proporcionalmente a su valor.

Explicación de la respuesta correcta (B): En un circuito en serie, los componentes están conectados uno tras otro, formando una única trayectoria para la corriente. Por lo tanto, la corriente eléctrica que fluye a través de cada componente en serie es la misma. El voltaje se divide entre las resistencias. La resistencia total es la suma de las resistencias individuales.

3. Una bombilla tiene una potencia nominal de 60 W cuando se conecta a una fuente de 120 V. ¿Cuál es la resistencia de la bombilla?

A) 0.5 Ω B) 2 Ω C) 7200 Ω D) 240 Ω

Explicación de la respuesta correcta (D): Sabemos que P = V·I y V = I·R. Podemos combinar estas ecuaciones. De P = V·I, tenemos I = P/V. Sustituyendo en V = I·R: V = (P/V)·R => V² = P·R => R = V²/P. Datos: P = 60 W, V = 120 V. R = (120 V)² / 60 W = 14400 V² / 60 W = 240 Ω. Alternativamente: I = P/V = 60 W / 120 V = 0.5 A. Luego R = V/I = 120 V / 0.5 A = 240 Ω.

4. ¿Cuál es la unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional (SI)?

A) Amperio (A) B) Voltio (V) C) Ohm (Ω) D) Coulomb (C)

Explicación de la respuesta correcta (D): La unidad de carga eléctrica en el SI es el Coulomb (C). Un Amperio (A) es la unidad de corriente eléctrica (Coulombs por segundo). Un Voltio (V) es la unidad de diferencia de potencial. Un Ohm (Ω) es la unidad de resistencia eléctrica.

5. Si se conectan dos resistencias idénticas en paralelo a una fuente de voltaje, la resistencia total del circuito paralelo comparada con el valor de una de las resistencias individuales será:

A) La mitad del valor de una resistencia individual. B) Igual al valor de una resistencia individual. C) El doble del valor de una resistencia individual. D) Cuatro veces el valor de una resistencia individual.

Explicación de la respuesta correcta (A): Para resistencias en paralelo, el inverso de la resistencia total (equivalente) es la suma de los inversos de las resistencias individuales: 1/R_total = 1/R₁ + 1/R₂ + ... Si R₁ = R₂ = R, entonces 1/R_total = 1/R + 1/R = 2/R. Por lo tanto, R_total = R/2. La resistencia total es la mitad del valor de una de las resistencias idénticas.

6. La diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos se define como:

A) El flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo entre esos puntos. B) La oposición al flujo de corriente eléctrica entre esos puntos. C) El trabajo realizado por unidad de carga para mover una carga de prueba entre esos dos puntos. D) La cantidad total de carga almacenada entre esos puntos.

Explicación de la respuesta correcta (C): La diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre dos puntos es el trabajo necesario por unidad de carga para mover una carga de prueba positiva desde un punto al otro contra el campo eléctrico. V = W/q. (A) define la corriente. (B) define la resistencia. (D) se relaciona con la capacitancia.

7. Un material aislante eléctrico se caracteriza por:

A) Tener muchos electrones libres que pueden moverse fácilmente. B) Ofrecer muy poca oposición al flujo de la corriente eléctrica (baja resistividad). C) Tener electrones fuertemente ligados a sus átomos, lo que dificulta el flujo de carga (alta resistividad). D) Conducir electricidad solo a temperaturas muy altas.

Explicación de la respuesta correcta (C): Los materiales aislantes tienen una alta resistividad eléctrica porque sus electrones de valencia están fuertemente unidos a los átomos individuales y no pueden moverse libremente a través del material para transportar carga. Los conductores (A, B) tienen electrones libres. (D) podría describir algunos semiconductores, no aislantes típicos.

8. Si la corriente que pasa a través de una resistencia de 10 Ω es de 2 A, ¿cuál es la potencia disipada por la resistencia?

A) 5 W B) 20 W C) 40 W D) 100 W

Explicación de la respuesta correcta (C): La potencia (P) disipada por una resistencia se puede calcular usando P = I²·R. Datos: I = 2 A, R = 10 Ω. P = (2 A)² * (10 Ω) = (4 A²) * (10 Ω) = 40 W. Alternativamente: V = I·R = (2 A)(10 Ω) = 20 V. Luego P = V·I = (20 V)(2 A) = 40 W.

9. ¿Cuál de los siguientes dispositivos convierte la energía química directamente en energía eléctrica?

A) Un motor eléctrico. B) Un generador eléctrico. C) Una pila o batería. D) Una resistencia eléctrica.

Explicación de la respuesta correcta (C): Las pilas y baterías utilizan reacciones químicas redox espontáneas para generar una diferencia de potencial y producir un flujo de electrones, convirtiendo así la energía almacenada en los enlaces químicos en energía eléctrica. Un motor (A) convierte energía eléctrica en mecánica. Un generador (B) convierte energía mecánica en eléctrica. Una resistencia (D) disipa energía eléctrica como calor.

10. Si se añaden más resistencias en paralelo a un circuito que ya tiene algunas resistencias en paralelo conectadas a una fuente de voltaje constante, ¿qué le sucede a la corriente total suministrada por la fuente?

A) La corriente total disminuirá porque hay más oposición al flujo. B) La corriente total permanecerá igual, ya que el voltaje de la fuente es constante. C) La corriente total aumentará porque la resistencia total equivalente del circuito disminuye. D) El efecto sobre la corriente total dependerá de los valores de las resistencias añadidas.

Explicación de la respuesta correcta (C): Al añadir más resistencias en paralelo, se proporcionan más caminos para que fluya la corriente. Esto hace que la resistencia total (equivalente) del circuito en paralelo disminuya. Según la Ley de Ohm (I = V/R), si el voltaje (V) de la fuente es constante y la resistencia total (R) disminuye, la corriente total (I) suministrada por la fuente aumentará.

Ondas y Sonido

Una onda es una perturbación que se propaga a través de un medio o del vacío, transportando energía sin transportar materia de forma neta. Las ondas se clasifican según su naturaleza en mecánicas (requieren un medio material, como el sonido o las olas en el agua) y electromagnéticas (pueden propagarse en el vacío, como la luz o las ondas de radio). También se clasifican según la dirección de vibración de las partículas del medio respecto a la dirección de propagación: transversales (vibración perpendicular, e.g., luz, ondas en una cuerda) y longitudinales (vibración paralela, e.g., sonido).

Las ondas se caracterizan por su amplitud (máxima elongación), longitud de onda (λ, distancia entre dos puntos equivalentes consecutivos), frecuencia (f, número de oscilaciones por segundo, medida en Hertz, Hz) y velocidad de propagación (v = λ·f). Fenómenos ondulatorios incluyen la reflexión, refracción, difracción e interferencia.

El sonido es una onda mecánica longitudinal que se propaga a través de un medio elástico (aire, agua, sólidos). La percepción humana del sonido se relaciona con su frecuencia (tono: agudo o grave) y su amplitud (intensidad o volumen). El efecto Doppler describe el cambio aparente en la frecuencia de una onda percibido por un observador cuando hay movimiento relativo entre la fuente de la onda y el observador.

Preguntas Ondas y Sonido

Cuestionario sobre Ondas y Sonido

1. Una onda sonora tiene una frecuencia de 440 Hz y se propaga en el aire a una velocidad de 340 m/s. ¿Cuál es su longitud de onda?

A) 0.77 m B) 1.29 m C) 149600 m D) 780 m

Explicación de la respuesta correcta (A): La relación entre velocidad (v), frecuencia (f) y longitud de onda (λ) es v = λ·f. Despejando la longitud de onda: λ = v / f. Datos: v = 340 m/s, f = 440 Hz (o s^-1). λ = (340 m/s) / (440 s^-1) = 0.7727 m ≈ 0.77 m.

2. El efecto Doppler para ondas sonoras se manifiesta como un cambio en la frecuencia percibida cuando hay movimiento relativo entre la fuente y el observador. Si una ambulancia con su sirena sonando se acerca a un observador en reposo, el observador percibirá un sonido:

A) Con la misma frecuencia emitida por la sirena. B) Con una frecuencia más baja (tono más grave) que la emitida. C) Con una frecuencia más alta (tono más agudo) que la emitida. D) Con una amplitud mayor pero la misma frecuencia.

Explicación de la respuesta correcta (C): Cuando la fuente de sonido se acerca al observador, las ondas sonoras llegan al observador con mayor frecuencia (se "comprimen" en el espacio entre la fuente y el observador), lo que se percibe como un tono más agudo. Cuando la fuente se aleja, la frecuencia percibida es menor (tono más grave).

3. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones describe correctamente una diferencia fundamental entre las ondas mecánicas y las ondas electromagnéticas?

A) Las ondas mecánicas siempre son transversales, mientras que las electromagnéticas siempre son longitudinales. B) Las ondas mecánicas pueden propagarse en el vacío, mientras que las electromagnéticas requieren un medio material. C) Las ondas mecánicas transportan materia, mientras que las electromagnéticas solo transportan energía. D) Las ondas mecánicas requieren un medio material para propagarse, mientras que las electromagnéticas pueden propagarse en el vacío.

Explicación de la respuesta correcta (D): Esta es la diferencia fundamental. Las ondas mecánicas (como el sonido o las olas) necesitan un medio físico (sólido, líquido o gas) cuyas partículas puedan vibrar. Las ondas electromagnéticas (como la luz o las ondas de radio) son oscilaciones de campos eléctricos y magnéticos y pueden viajar a través del vacío. (A) es incorrecto (el sonido es longitudinal). (C) es incorrecto (ninguna onda transporta materia de forma neta).

4. La intensidad de una onda sonora se relaciona con qué característica percibida del sonido?

A) El tono (agudo o grave). B) El timbre (calidad del sonido). C) El volumen o sonoridad. D) La velocidad de propagación.

Explicación de la respuesta correcta (C): La intensidad de una onda sonora está relacionada con la cantidad de energía que transporta por unidad de área y tiempo, y se asocia con la amplitud de la onda. Perceptualmente, una mayor intensidad se corresponde con un sonido más fuerte o de mayor volumen (sonoridad). El tono se relaciona con la frecuencia y el timbre con la composición de armónicos.

5. Cuando una onda pasa de un medio a otro con diferente densidad (por ejemplo, luz del aire al agua), experimenta un cambio en su velocidad y dirección de propagación. Este fenómeno se conoce como:

A) Reflexión. B) Refracción. C) Difracción. D) Interferencia.

Explicación de la respuesta correcta (B): La refracción es el cambio de dirección y velocidad que experimenta una onda al pasar de un medio a otro con distinto índice de refracción (o diferente densidad para ondas mecánicas). La reflexión (A) es el rebote de la onda en una superficie. La difracción (C) es la curvatura de las ondas alrededor de obstáculos. La interferencia (D) es la superposición de ondas.

6. Dos ondas sonoras idénticas en frecuencia y amplitud se encuentran en un punto del espacio de tal manera que la cresta de una coincide con el valle de la otra. ¿Qué tipo de interferencia ocurre y cuál es el resultado en ese punto?

A) Interferencia constructiva; la amplitud resultante es el doble de la amplitud individual. B) Interferencia destructiva; la amplitud resultante es cero (o mínima). C) Interferencia mixta; la frecuencia de la onda resultante cambia. D) Difracción; las ondas se curvan alrededor del punto de encuentro.

Explicación de la respuesta correcta (B): Cuando la cresta de una onda se superpone con el valle de otra onda idéntica (desfase de 180°), ocurre una interferencia destructiva. Las amplitudes se cancelan (o se restan), resultando en una amplitud nula o muy reducida en ese punto. Si cresta con cresta o valle con valle coinciden, es constructiva (A).

7. El sonido NO puede propagarse a través de:

A) El aire. B) El agua. C) El vacío del espacio. D) Una barra de acero.

Explicación de la respuesta correcta (C): El sonido es una onda mecánica, lo que significa que necesita un medio material (con partículas que puedan vibrar) para propagarse. El vacío del espacio carece de un medio material significativo, por lo que las ondas sonoras no pueden viajar a través de él. El sonido se propaga en gases (aire), líquidos (agua) y sólidos (acero).

8. Si se aumenta la frecuencia de una onda sonora manteniendo constante su velocidad de propagación en un medio, ¿qué sucede con su longitud de onda?

A) Aumenta. B) Disminuye. C) Permanece igual. D) Se vuelve cero.

Explicación de la respuesta correcta (B): La relación es v = λ·f. Si la velocidad (v) es constante y la frecuencia (f) aumenta, entonces para mantener la igualdad, la longitud de onda (λ) debe disminuir. Son inversamente proporcionales cuando la velocidad es constante (λ = v/f).

9. El fenómeno por el cual las ondas se curvan al pasar por una abertura o rodear un obstáculo cuyo tamaño es comparable a su longitud de onda se llama:

A) Polarización. B) Refracción. C) Resonancia. D) Difracción.

Explicación de la respuesta correcta (D): La difracción es la capacidad de las ondas para rodear obstáculos o propagarse a través de pequeñas aberturas. Este efecto es más pronunciado cuando el tamaño del obstáculo o la abertura es similar o menor que la longitud de onda de la onda. La polarización (A) se refiere a la orientación de la vibración de las ondas transversales.

10. ¿Qué propiedad de una onda está más directamente relacionada con la cantidad de energía que transporta?

A) La longitud de onda. B) La frecuencia (para ondas electromagnéticas, E=hf; para ondas mecánicas, indirectamente a través de la potencia). C) La velocidad de propagación. D) La amplitud (o el cuadrado de la amplitud).

Explicación de la respuesta correcta (D): Para la mayoría de los tipos de ondas (mecánicas y electromagnéticas), la energía transportada por la onda es proporcional al cuadrado de su amplitud. Una mayor amplitud significa una mayor perturbación y, por lo tanto, más energía. Si bien la frecuencia también se relaciona con la energía (especialmente en ondas EM donde E=hf), la amplitud es el factor más directo para la energía general de una onda.

Física