VI Olimpiada Interregional de Física · Biobío y Ñuble

I Medio — Prueba Teórica
Preguntas y soluciones

Cada pregunta con su respuesta y, cuando corresponde, el desarrollo paso a paso. Las expresiones matemáticas se muestran con notación formal.

Física con Zeuss · material de repaso

10 preguntas + 1 problema

Preguntas

Respuesta breve
1

En una tormenta eléctrica, ¿por qué primero se ve el rayo y después se escucha el trueno?

Respuesta

Porque la luz viaja mucho más rápido que el sonido. El relámpago y el trueno se producen al mismo tiempo, pero la luz llega a nuestros ojos casi instantáneamente, mientras que el sonido demora en recorrer la distancia.

Desarrollo

La luz se propaga a \( c \approx 3\times10^{8}\ \mathrm{m/s} \) y el sonido en el aire a \( v_s \approx 340\ \mathrm{m/s} \). La luz es del orden de un millón de veces más rápida:

\[ \frac{c}{v_s} \approx \frac{3\times10^{8}}{340} \approx 8.8\times10^{5} \]

Por eso el retardo del trueno permite incluso estimar la distancia a la tormenta. Si el trueno demora \(t\) segundos en llegar:

\[ d \approx v_s\,t \approx 340\ \tfrac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}\cdot t \quad\Rightarrow\quad d\,(\text{km}) \approx \frac{t\,(\text{s})}{3} \]

2

Si la rapidez de una onda se duplica mientras su frecuencia permanece constante, ¿qué sucede con la longitud de onda?

Respuesta · alternativa d)

La relación fundamental de las ondas es \( v = \lambda\, f \).

Desarrollo

Despejamos la longitud de onda:

\[ \lambda = \frac{v}{f} \]

Como \(f\) permanece constante, \(\lambda\) es directamente proporcional a \(v\). Si la rapidez se duplica (\(v \to 2v\)):

\[ \lambda' = \frac{2v}{f} = 2\cdot\frac{v}{f} = 2\lambda \]

La longitud de onda se duplica.
3

Un murciélago emite su sonido característico al volar con dirección a un muro. El eco que recibe, ¿tiene frecuencia mayor, menor o igual que la del sonido emitido?

Respuesta

El eco tiene una frecuencia mayor que la del sonido emitido, debido al efecto Doppler (que ocurre dos veces).

Desarrollo

Primer Doppler — el muro "recibe"

El murciélago es una fuente que se acerca al muro. El muro recibe entonces una frecuencia mayor que la emitida: los frentes de onda le llegan más juntos.

Segundo Doppler — el murciélago "recibe"

El muro refleja esa onda (ya aumentada) y el murciélago, que se acerca al muro, actúa ahora como un observador en movimiento hacia la fuente del eco, aumentando otra vez la frecuencia.

Doble acercamiento \(\Rightarrow\) el eco vuelve con frecuencia aún mayor. Así el murciélago "sabe" que va hacia un obstáculo.
4

Dos excursionistas desean prender una fogata durante el día. Uno es miope y el otro hipermétrope. ¿Los anteojos de cuál de ellos deberían usarse para enfocar los rayos del Sol e iniciar fuego? ¿Por qué?

Respuesta

Los anteojos del hipermétrope. Para concentrar la luz solar en un punto se necesita una lente convergente (convexa), y ese es justamente el tipo de lente que corrige la hipermetropía.

Desarrollo

Para iniciar fuego hay que concentrar los rayos del Sol (aprox. paralelos) en el foco de una lente. Solo una lente convergente hace esto:

\[ \text{lente convergente} \;\Rightarrow\; \text{rayos paralelos} \longrightarrow \text{foco } F \]

Corrección de cada defecto visual:

  • Miopía: se corrige con lente divergente (cóncava) — dispersa la luz, no sirve para concentrar.
  • Hipermetropía: se corrige con lente convergente (convexa) — concentra la luz en el foco.
5

Una película proyectada por un proyector de video, ¿se ve mejor en una pantalla blanca o en una pantalla negra?

Respuesta

En una pantalla blanca. El blanco refleja todas las longitudes de onda (todos los colores), devolviendo la imagen hacia el espectador. El negro absorbe la luz, por lo que la imagen no se vería.

6

¿Es lo mismo hablar de calor y de temperatura? Desarrolle su idea.

Respuesta

No, son conceptos distintos. La temperatura mide la energía cinética promedio de las partículas de un cuerpo. El calor es energía que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura.

Desarrollo
  • Temperatura: propiedad intensiva del estado del cuerpo; no depende de la cantidad de materia. Se mide en °C, K, °F.
  • Calor: energía en tránsito; solo tiene sentido mientras hay transferencia. Se mide en joule (J) o caloría (cal).

Ejemplo: una chispa a \(1000\,°\mathrm{C}\) tiene alta temperatura pero cede poco calor (poca masa); una tina con agua tibia tiene baja temperatura pero puede ceder mucho calor.

El calor fluye siempre desde el cuerpo de mayor hacia el de menor temperatura:

\[ Q = m\,c\,\Delta T \]

7

¿Cuál es el proceso que provoca el efecto invernadero?

Respuesta · alternativa b)

La radiación solar (visible) entra y calienta la superficie. La Tierra reemite esa energía como radiación infrarroja, que los gases de efecto invernadero (CO₂, CH₄, vapor de agua) absorben y reenvían, reteniendo el calor y elevando la temperatura media.

8

¿Cómo podemos saber que la Tierra no es plana?

Respuesta

Existen múltiples evidencias observables de que la Tierra es (aproximadamente) esférica:

Desarrollo · evidencias
  • 1. Los barcos desaparecen en el horizonte por el casco primero y luego el mástil: la superficie se curva.
  • 2. Durante un eclipse lunar, la sombra de la Tierra sobre la Luna es siempre circular.
  • 3. Se ven distintas constelaciones según la latitud desde donde se observe.
  • 4. El experimento de Eratóstenes: dos ciudades separadas proyectan sombras de distinto largo a la misma hora, lo que solo se explica con una superficie curva.
  • 5. Fotografías desde el espacio y la existencia de husos horarios (es de día en un lugar y de noche en otro).
9

¿En qué se diferencian las escalas de Richter y de Mercalli para sismos? ¿Qué información entrega cada una?

Respuesta

La escala de Richter mide la magnitud (energía liberada en el origen del sismo); la escala de Mercalli mide la intensidad (los efectos y daños percibidos en un lugar).

Desarrollo · comparación
  • Richter — Cuantitativa e instrumental (sismógrafo). Se basa en la amplitud de las ondas. Entrega un único valor para todo el sismo, sin importar el lugar.
  • Mercalli — Cualitativa y observacional. Se basa en el daño y en lo que percibe la gente. Va de I a XII y cambia según la ubicación (mayor cerca del epicentro).
En resumen: Richter \(=\) cuánta energía liberó el sismo · Mercalli \(=\) cuánto se sintió y dañó en cada lugar.
10

Identifique la hipótesis y el resultado esperado en los siguientes experimentos propuestos.

Experimento i · caída de esferas

Se dejan caer dos esferas de igual forma y tamaño (una de metal y otra de plástico) desde la misma altura, sin viento ni obstáculos, midiendo el tiempo de caída.

Hipótesis

En ausencia de resistencia del aire, todos los cuerpos caen con la misma aceleración independientemente de su masa o material; por lo tanto, el tiempo de caída no depende de la masa.

Resultado esperado

Ambas esferas llegan al suelo al mismo tiempo (mismo tiempo de caída en cada repetición).

Consistente con la caída libre: \( t = \sqrt{\dfrac{2h}{g}} \), que no depende de la masa.

Experimento ii · refracción en distintos líquidos

Se apunta una fuente de luz monocromática con un ángulo fijo hacia distintos líquidos (agua, alcohol etílico, glicerina, aceite, miel) y se mide el ángulo del rayo dentro del líquido respecto de la normal.

Hipótesis

El ángulo de refracción depende del medio: cada líquido tiene un índice de refracción distinto, por lo que desvía la luz de manera diferente.

Resultado esperado

El ángulo de refracción cambia para cada líquido. A mayor índice de refracción, el rayo se acerca más a la normal (ángulo de refracción menor).

Por la ley de Snell, con el ángulo de incidencia \(\theta_1\) fijo:

\[ n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2 \quad\Rightarrow\quad \sin\theta_2 = \frac{n_1}{n_2}\sin\theta_1 \]

Si \(n_2\) aumenta (líquido más "denso" ópticamente), \(\sin\theta_2\) disminuye y el rayo se desvía más hacia la normal.

Problema · El descubrimiento del neutrón

Chadwick, 1932
P

Contexto Chadwick bombardeó berilio con partículas alfa, generando una radiación desconocida que, al pasar por hidrógeno, eyectaba protones a gran velocidad. En un choque elástico frontal entre una partícula de masa \(m\) y un blanco en reposo de masa \(M\), la rapidez del blanco es

\[ v_M = \frac{2m}{m+M}\,v_m \]

donde \(v_m\) es la velocidad inicial de la partícula neutra (desconocida).

a) Razón entre las velocidades finales de dos blancos

Aplicamos la fórmula a dos blancos \(M_1\) y \(M_2\) golpeados por la misma partícula (misma \(v_m\)):

\[ v_{M_1} = \frac{2m}{m+M_1}\,v_m, \qquad v_{M_2} = \frac{2m}{m+M_2}\,v_m \]

Dividimos una expresión por la otra:

\[ \frac{v_{M_1}}{v_{M_2}} = \frac{\dfrac{2m}{m+M_1}\,v_m}{\dfrac{2m}{m+M_2}\,v_m} = \frac{m+M_2}{m+M_1} \]

Al tomar la razón, se cancelan \(2m\) y sobre todo la velocidad desconocida \(v_m\) desaparece. Esto es clave: Chadwick no conocía \(v_m\), pero igual podía obtener información sobre \(m\).
b) Masa \(m\) de la partícula misteriosa

Con los blancos hidrógeno (\(M_H=1\,\mathrm{u}\)) y nitrógeno (\(M_N=14\,\mathrm{u}\)), usamos la razón del ítem a):

\[ \frac{v_H}{v_N} = \frac{m+M_N}{m+M_H} = \frac{m+14}{m+1} \]

Datos experimentales

\[ v_H = 3.7\times10^{7}\ \mathrm{m/s}, \qquad v_N = 4.7\times10^{6}\ \mathrm{m/s} \]

Calculamos el cociente de velocidades:

\[ \frac{v_H}{v_N} = \frac{3.7\times10^{7}}{4.7\times10^{6}} \approx 7.87 \]

Despeje de \(m\)

\[ 7.87 = \frac{m+14}{m+1} \]

\[ 7.87\,(m+1) = m+14 \]

\[ 7.87\,m + 7.87 = m + 14 \]

\[ 7.87\,m - m = 14 - 7.87 \]

\[ 6.87\,m = 6.13 \]

\[ m = \frac{6.13}{6.87} \approx 0.89\ \mathrm{u} \]

\( m \approx 0.89\ \mathrm{u} \approx 1\ \mathrm{u} = m_p \). La partícula misteriosa tiene, aproximadamente, la masa de un protón.
c) Naturaleza de la radiación

Los fotones (partículas de luz) no tienen masa: \(m_\text{fotón}=0\). El cálculo entregó una masa definida y no nula, cercana a la del protón.

Por lo tanto, la radiación no puede ser luz (no es electromagnética): está formada por partículas con masa \(\approx m_p\) y sin carga eléctrica. Esa partícula es el neutrón.
d) ¿Por qué no coincide con \(1.0001\,m_p\)? ¿Están equivocados?

No están equivocados. La diferencia entre \(m\approx 0.89\,\mathrm{u}\) y el valor real \(1.0001\,m_p\) se explica por las idealizaciones del modelo y por la incertidumbre experimental:

  • 1. El modelo supone un choque perfectamente elástico y perfectamente frontal (1D), algo que en la práctica no se cumple de forma exacta.
  • 2. Las velocidades \(v_H\) y \(v_N\) tienen error de medición; pequeñas variaciones alteran bastante el resultado.
  • 3. Se desprecian efectos relativistas y la estructura interna del núcleo.
Lo importante es el orden de magnitud: un cálculo "sorprendentemente sencillo" bastó para concluir que existía una partícula neutra con masa parecida a la del protón. Dentro del margen de error, el resultado es plenamente compatible con \(m \approx m_p\). Mediciones posteriores, más precisas, afinaron el valor.