Presentación

Estos ejercicios tienen como finalidad apoyar a estudiantes del primer año universitario en un curso de Física General. Puede servir también como apoyo para recordar y reforzar los conocimientos de física adquiridos previamente en el nivel de Bachillerato.

Esta serie de ejercicios corresponde a la unidad 'Física contemporánea: Relatividad Especial e Introducción a la Mecánica Cuántica'.

Autor: Juan José Jiménez Torres

Los ejercicios y sus respectivas figuras, se encuentran basados en ejercicios planteados en distintas fuentes bibliográficas como los textos de Schad (1996), Resnick y Halliday (1981), Tippens (2001), Benson (1999, 1991) y Hewitt (1999). Estos ejercicios de física también fueron empleados para el trabajo que desarrollé en Jiménez-Torres (2006).

Artículo publicado en arXiv: Physics Education (physics.ed-ph)

1) ¿Cuál de los siguientes fenómenos demostró la existencia de los fotones?

a) Refracción b) Dilatación del tiempo c) Interferencia d) El efecto fotoeléctrico e) El efecto Zeeman

2) Un átomo de hidrógeno se encuentra en su estado base cuando su electrón.

a) Está en reposo b) Viaja en la órbita más pequeña posible alrededor del núcleo c) Viaja en la órbita más grande posible alrededor del núcleo d) Ha escapado del átomo

3) En el espectro de emisión del hidrógeno tenemos que

a) Las líneas espectrales están uniformemente espaciadas. b) Todos los saltos cuánticos se realizan desde la misma órbita electrónica c) Todos los saltos cuánticos terminan en la misma órbita electrónica d) Cada línea espectral es el resultado de un fotón emitido durante un salto particular del electrón desde un nivel de energía (orbita) a otro e) Todas las líneas espectrales corresponden a frecuencias de la región visible del espectro electromagnético

4) ¿Cuál de los siguientes saltos del electrón entre estados cuánticos de un átomo de hidrógeno emitirá el fotón con la frecuencia más alta.

a) 2 a 3 b) 3 a 2 c) 4 a 3 d) 3 a 4 e) 4 a 5

5) ¿Cuál es el color de la luz con frecuencia más alta?

a) Rojo b) Azul c) Amarillo d) Verde e) Naranja

6) ¿Cuánta energía es llevada por un fotón de luz roja si su longitud de onda es aproximadamente de 625 nm?

a) 3.18 X 10^-19 J b) 3.14 X 10¹⁶ J c) 4.80 X 10¹⁶ J d) 2.08 X 10^-17 J e) 4.14 X 10^-42 J

7) ¿Cuál de los siguientes materiales puede mostrar un espectro de emisión en luz visible?.

a) Sólidos y líquidos calentados hasta la incandescencia b) Gases calientes c) Gases fríos colocados en frente de un bulbo incandescente de luz

8) De acuerdo a la mecánica cuántica.

a) Sólo las partículas pequeñas y con baja velocidad exhiben propiedades ondulatorias b) Sólo las partículas cargadas exhiben propiedades ondulatorias c) Ninguna partícula exhibe propiedades ondulatorias d) Todas las partículas exhiben propiedades ondulatorias e) Todas las partículas con alta velocidad exhiben propiedades ondulatorias

9) De acuerdo a la mecánica cuántica el electrón en el átomo de hidrógeno gira alrededor del núcleo (protón) de la misma manera en que lo hacen los planetas alrededor del Sol.

Falso. Verdadero.

10) El efecto fotoeléctrico demostró la naturaleza ondulatoria de los electrones.

Falso. Verdadero.

11) Si todos los cuerpos materiales tienen una naturaleza ondulatoria y su longitud de onda puede ser calculada, ¿por qué no podemos observar los efectos ondulatorios de una persona caminando?.

a) Porque la masa de una persona es demasiado grande comparada con la de partículas ligeras b) Porque la velocidad de una persona caminando es demasiado pequeña comparada con la de la luz c) Porque el valor de la constante de Planck es demasiado pequeño d) Porque el valor de la longitud de onda es demasiado pequeño, que no hay manera de observar sus efectos e) Porque el valor de la longitud de onda es demasiado grande, que no hay manera de observar sus efectos

12) ¿Cuál es la longitud de onda de De Broglie de un electrón que se mueve con una velocidad de 10⁷ m/s? (La masa del electrón es de 9.1 X 10^-31 kg).

a) 1.37 X 10¹⁰ m b) 7.29 X 10^-11 m c) 6.63 X 10^-41 m d) 1.51 X 10⁴⁰ m e) 6.03 X 10^-57 m

13) De acuerdo al contexto clásico de Newton

a) La velocidad de la luz en el vacío es una constante b) La fuerza de gravedad se vuelve cero en el espacio c) El tiempo y la distancia son siempre las mismas para todos los observadores d) El tiempo y la distancia pueden ser diferentes para distintos observadores e) La velocidad de la luz en el vacío tiene un valor infinito

14) De acuerdo al contexto relativista

a) El espacio es plano y el tiempo fluye uniformemente b) Las leyes de la física dependen de la localización y la velocidad de los observadores c) Los tiempos y distancias son siempre las mismas para todos los observadores d) Los tiempos y las distancias pueden ser diferentes para distintos observadores e) La velocidad de la luz en el vacío tiene un valor infinito

15) La longitud propia de un lápiz corresponde a

a) La mínima longitud posible que el lápiz pueda tener b) Su longitud promedio originada de la medición de varios observadores c) La longitud del lápiz cuando está en reposo relativo a un observador d) La longitud del lápiz cuando se mueve a la velocidad de la luz e) La máxima longitud posible que el lápiz puede tener

16) ¿La ecuación E = mc² significa que la materia se transforma en energía cuando viaja al cuadrado de la velocidad de la luz?

Falso. Verdadero.

17) ¿La dilatación del tiempo significa que el tiempo se mueve con más lentitud en los sistemas en movimiento?

Falso. Verdadero.

18) Las mediciones del tiempo realizadas por dos observadores A y B coinciden si el observador A se desplaza con la mitad de la velocidad de la luz respecto al observador B

Falso. Verdadero.

19) En el efecto fotoeléctrico, un haz de luz intenso desprende más electrones de una superficie fotosensible que un haz de luz tenue de la misma frecuencia, la cual es suficientemente grande para desprender electrones.

Falso. Verdadero.

20) En el efecto fotoeléctrico, un haz de luz con una alta frecuencia desprende más electrones de una superficie fotosensible que un haz de luz con una frecuencia menor, la cual también puede desprende electrones al incidir en la superficie fotosensible.

Falso. Verdadero.

21) ¿A qué se refiere al decir que una cantidad está cuantizada?.

a) Que esa cantidad se puede contar b) Que esa cantidad se puede medir c) Que esa cantidad se puede expresar en múltiplos enteros de otra d) Que esa cantidad no se puede expresar en múltiplos enteros de otra e) Que esa cantidad es una constante

22) Si la velocidad de los electrones de un haz "1" es mayor que la velocidad de los electrones de otro haz "2", entonces la longitud de onda de De Broglie de los electrones del haz "1" es mayor que la de los electrones del haz "2".

Falso. Verdadero.

23) De acuerdo a la teoría especial de la relatividad, las mediciones del espacio, tiempo y masa son valores constantes para todos los observadores.

Falso. Verdadero.

24) De acuerdo a la teoría espacial de la relatividad, la velocidad de la luz es relativa.

Falso. Verdadero.

25) De acuerdo a la relatividad especial, las leyes de la física dependen del marco de referencia inercial en donde se encuentre un observador.

Falso. Verdadero.

26) En el modelo de Bohr para el átomo de hidrógeno, ¿Qué aspecto es considerado como clásico?.

a) La radiación es emitida por un electrón únicamente cuando este pasa de una órbita permitida a otra de energía menor b) El movimiento del electrón en órbitas circulares, llamadas estados estacionarios c) El ímpetu angular del electrón está restringido a múltiplos enteros de h/2π

27) Si una lámpara se enciende cuando se viaja a bordo de un automóvil, y la luz se dirige en la dirección del movimiento, entonces la velocidad de la luz aumenta para un observador que está en reposo fuera del automóvil.

Falso. Verdadero.

28) El primer postulado de la relatividad especial asegura que únicamente las leyes de la mecánica son las mismas en todos los marcos de referencia con un movimiento uniforme.

Falso. Verdadero.

29) Suponiendo que viajamos a la velocidad de la luz junto a un haz de luz, entonces veríamos que el haz estaría en reposo.

Falso. Verdadero.

30) La masa y la energía son equivalentes.

Falso. Verdadero.

31) Al interior del Sol ocurren reacciones nucleares que producen su energía solar, ¿Cuál es el efecto de la energía solar en la masa del Sol?.

a) La masa del Sol aumenta b) La masa del Sol disminuye c) La masa del Sol se mantiene constante

32) ¿Por qué es imposible acelerar una partícula con masa en reposo finita a la velocidad de la luz?.

a) Es necesaria una suma infinita de trabajo b) Se necesita un éter, donde viajaría con gran rapidez c) Es necesaria una temperatura infinita d) Por la carencia de equipo adecuado

33) La energía de disociación de la molécula de CO es de 11 eV, es decir, su función de trabajo es de 11 eV. ¿Cuál es la frecuencia mínima de la radiación para romper este enlace?.

a) 2.66 X 10¹⁵ Hz b) 3.76 X 10^-16 Hz c) 1.17 X 10^-51 Hz d) 7.29 X 10^-33 Hz e) 1.66 X 10³⁴ Hz

34) En el efecto fotoeléctrico, si la intensidad de un haz de luz incidente se mantiene fija, el número de fotones depende de la frecuencia.

Falso. Verdadero.

35) Los rayos ultravioleta pueden causar quemaduras solares en la piel, mientras que la luz visible no tiene este efecto debido a que los rayos ultravioleta tienen mayor energía que la luz visible.

Falso. Verdadero.

36) El átomo de hidrógeno tiene un electrón, sin embargo se observan muchas líneas espectrales, lo cual es debido a

a) No solo participa el electrón, sino también el núcleo b) El electrón salta desde una orbita discreta de menor energía a otra de mayor c) El electrón salta desde una orbita discreta de mayor energía a otra de menor d) No se cuenta con equipo adecuado para su análisis

37) Con relación al efecto fotoeléctrico, ¿Por qué la luz azul desprende electrones de ciertas superficies fotosensibles, mientras que la luz roja no tiene efecto sobre estas superficies?.

a) Debido a que la luz roja tiene menor intensidad que la azul b) Debido a que la luz azul tiene mayor intensidad que la azul c) Debido a que la luz roja tiene menor frecuencia que la azul d) Debido a que la luz azul tiene mayor frecuencia y mayor intensidad que la azul e) Debido a que la luz roja tiene menor frecuencia y menor intensidad que la azul

38) Un haz intenso de luz azul desprende más electrones de una superficie fotosensible que un haz tenue de luz azul de la misma frecuencia.

Falso. Verdadero.

39) De los siguientes fenómenos y modelo atómico, ¿Cuál es la opción que no tiene relación con el concepto de fotón en el contexto corpuscular de la luz?

a) El modelo de Bohr del átomo de hidrógeno b) El efecto fotoeléctrico c) El efecto Compton

→Fin de las preguntas

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Física contemporánea: Relatividad Especial e Introducción a la Mecánica Cuántica

Presentación

1) ¿Cuál de los siguientes fenómenos demostró la existencia de los fotones?

2) Un átomo de hidrógeno se encuentra en su estado base cuando su electrón.

3) En el espectro de emisión del hidrógeno tenemos que

4) ¿Cuál de los siguientes saltos del electrón entre estados cuánticos de un átomo de hidrógeno emitirá el fotón con la frecuencia más alta.

5) ¿Cuál es el color de la luz con frecuencia más alta?

6) ¿Cuánta energía es llevada por un fotón de luz roja si su longitud de onda es aproximadamente de 625 nm?

7) ¿Cuál de los siguientes materiales puede mostrar un espectro de emisión en luz visible?.

8) De acuerdo a la mecánica cuántica.

9) De acuerdo a la mecánica cuántica el electrón en el átomo de hidrógeno gira alrededor del núcleo (protón) de la misma manera en que lo hacen los planetas alrededor del Sol.

10) El efecto fotoeléctrico demostró la naturaleza ondulatoria de los electrones.

11) Si todos los cuerpos materiales tienen una naturaleza ondulatoria y su longitud de onda puede ser calculada, ¿por qué no podemos observar los efectos ondulatorios de una persona caminando?.

12) ¿Cuál es la longitud de onda de De Broglie de un electrón que se mueve con una velocidad de 107 m/s? (La masa del electrón es de 9.1 X 10-31 kg).

13) De acuerdo al contexto clásico de Newton

14) De acuerdo al contexto relativista

15) La longitud propia de un lápiz corresponde a

16) ¿La ecuación E = mc2 significa que la materia se transforma en energía cuando viaja al cuadrado de la velocidad de la luz?

17) ¿La dilatación del tiempo significa que el tiempo se mueve con más lentitud en los sistemas en movimiento?

18) Las mediciones del tiempo realizadas por dos observadores A y B coinciden si el observador A se desplaza con la mitad de la velocidad de la luz respecto al observador B

19) En el efecto fotoeléctrico, un haz de luz intenso desprende más electrones de una superficie fotosensible que un haz de luz tenue de la misma frecuencia, la cual es suficientemente grande para desprender electrones.

20) En el efecto fotoeléctrico, un haz de luz con una alta frecuencia desprende más electrones de una superficie fotosensible que un haz de luz con una frecuencia menor, la cual también puede desprende electrones al incidir en la superficie fotosensible.

21) ¿A qué se refiere al decir que una cantidad está cuantizada?.

22) Si la velocidad de los electrones de un haz "1" es mayor que la velocidad de los electrones de otro haz "2", entonces la longitud de onda de De Broglie de los electrones del haz "1" es mayor que la de los electrones del haz "2".

23) De acuerdo a la teoría especial de la relatividad, las mediciones del espacio, tiempo y masa son valores constantes para todos los observadores.

24) De acuerdo a la teoría espacial de la relatividad, la velocidad de la luz es relativa.

25) De acuerdo a la relatividad especial, las leyes de la física dependen del marco de referencia inercial en donde se encuentre un observador.

26) En el modelo de Bohr para el átomo de hidrógeno, ¿Qué aspecto es considerado como clásico?.

27) Si una lámpara se enciende cuando se viaja a bordo de un automóvil, y la luz se dirige en la dirección del movimiento, entonces la velocidad de la luz aumenta para un observador que está en reposo fuera del automóvil.

28) El primer postulado de la relatividad especial asegura que únicamente las leyes de la mecánica son las mismas en todos los marcos de referencia con un movimiento uniforme.

29) Suponiendo que viajamos a la velocidad de la luz junto a un haz de luz, entonces veríamos que el haz estaría en reposo.

30) La masa y la energía son equivalentes.

31) Al interior del Sol ocurren reacciones nucleares que producen su energía solar, ¿Cuál es el efecto de la energía solar en la masa del Sol?.

32) ¿Por qué es imposible acelerar una partícula con masa en reposo finita a la velocidad de la luz?.

33) La energía de disociación de la molécula de CO es de 11 eV, es decir, su función de trabajo es de 11 eV. ¿Cuál es la frecuencia mínima de la radiación para romper este enlace?.

34) En el efecto fotoeléctrico, si la intensidad de un haz de luz incidente se mantiene fija, el número de fotones depende de la frecuencia.

35) Los rayos ultravioleta pueden causar quemaduras solares en la piel, mientras que la luz visible no tiene este efecto debido a que los rayos ultravioleta tienen mayor energía que la luz visible.

36) El átomo de hidrógeno tiene un electrón, sin embargo se observan muchas líneas espectrales, lo cual es debido a

37) Con relación al efecto fotoeléctrico, ¿Por qué la luz azul desprende electrones de ciertas superficies fotosensibles, mientras que la luz roja no tiene efecto sobre estas superficies?.

38) Un haz intenso de luz azul desprende más electrones de una superficie fotosensible que un haz tenue de luz azul de la misma frecuencia.

39) De los siguientes fenómenos y modelo atómico, ¿Cuál es la opción que no tiene relación con el concepto de fotón en el contexto corpuscular de la luz?

→Fin de las preguntas

12) ¿Cuál es la longitud de onda de De Broglie de un electrón que se mueve con una velocidad de 10⁷ m/s? (La masa del electrón es de 9.1 X 10^-31 kg).

16) ¿La ecuación E = mc² significa que la materia se transforma en energía cuando viaja al cuadrado de la velocidad de la luz?