RADIACIÓN TÉRMICA DEL CUERPO NEGRO
CN.F.5.5.1. Explicar los fenómenos: radiación de cuerpo negro y efecto fotoeléctrico mediante el modelo de la luz como partícula (el fotón) y que a escala atómica la radiación electromagnética se emite o absorbe en unidades discretas e indivisibles llamadas fotones, cuya energía es proporcional a su frecuencia (constante de Planck).
- Vida cotidiana: Si observas una estufa encendida, un metal al rojo vivo o el calor que emite un objeto, puedes entender que todos los cuerpos emiten radiación según su temperatura.
- Contexto social / académico: En astronomía, medicina o tecnología térmica, la radiación del cuerpo negro permite analizar temperaturas, interpretar emisiones de energía y diseñar sensores o cámaras infrarrojas.
Observa con mucha atención la imagen de portada y analiza cada uno de sus elementos. Luego, responde en tu cuaderno o en una hoja de trabajo las siguientes preguntas:
- ¿Qué crees que están observando los físicos en la escena?
- ¿Por qué piensas que sus expresiones son de sorpresa, curiosidad o asombro?
- ¿Cómo describirías el objeto oscuro que aparece en el centro de la imagen? ¿Qué crees que representa?
- ¿Qué interpretación le das a lo que está dibujado en la pizarra?
- A partir de la imagen, ¿qué tema de la Física crees que vas a estudiar y por qué?
5 minutos para desarrollar la etapa
En 10 minutos, observa los siguientes videos sobre carga eléctrica, toma apuntes sobre las ideas más importantes.
Durante los próximos 10 minutos, presta atención a la explicación de tu educador sobre la radiación del cuerpo negro. Aprovecha este momento para aclarar dudas, profundizar en las ideas que leíste y escucha con atención y participa si tienes preguntas o comentarios.
En 5 minutos elabora un formulario que incluyan la fórmula de la relación de energía y masa según la relatividad, guarda este formulario en una carpeta ya que a lo largo de este ciclo escolar lo utilizaremos para diversas actividades.
Una brevísima historia del tiempo es un libro de divulgación científica escrito por Stephen Hawking, en el que se explican de manera accesible ideas fundamentales sobre el universo, el espacio, el tiempo y la física moderna. En el siguiente extracto, el autor explica cómo las ideas clásicas sobre un universo completamente predecible comenzaron a ponerse en duda a partir del problema de la radiación del cuerpo negro y de las primeras propuestas de la física cuántica.
Lee el siguiente extracto:
Después de haberlo leído, contesta las siguientes preguntas:
- ¿Qué crees que intentaban explicar los científicos al estudiar la radiación emitida por un cuerpo caliente?
- ¿Por qué piensas que la propuesta de Planck resultó tan importante para resolver este problema?
- ¿Qué idea del extracto te llamó más la atención y por qué?
Reúnete con tu grupo y observen con atención el siguiente video, sobre la catástrofe ultravioleta.
Luego, asuman una postura distinta dentro del equipo y realicen un debate breve a partir de las siguientes ideas.
Postura 1:
Defiende la idea de que las explicaciones clásicas de la Física eran suficientes para comprender cómo los cuerpos calientes emiten energía, y que el problema estaba más en la forma de hacer los cálculos o interpretar los resultados.
Postura 2:
Sostiene que el fenómeno mostrado en el video evidencia que las ideas clásicas ya no eran capaces de describir correctamente la realidad, y que por eso fue necesario proponer una nueva manera de entender la energía.
Postura 3:
Argumenta que el cambio más importante no fue solo resolver un problema puntual, sino aceptar que en la naturaleza la energía no siempre se comporta de manera continua, lo que abrió la puerta a una nueva visión de la Física.
En grupos de 3, preparen una dramatización breve en tono de comedia. Un integrante representará a Rayleigh y explicará su propuesta sobre la radiación del cuerpo negro; otro será Wien y presentará su explicación; finalmente, entrará Planck para exponer su solución. La escena debe ser divertida, pero al mismo tiempo permitir que se entienda qué proponía cada científico y por qué la propuesta final marcó una diferencia. Todos los grupos deben cerrar su presentación diciendo: “Entonces, ¿los cuantos son?… esta historia continuará.”
Dibuja la curva de radiación del cuerpo negro (distribución espectral de Planck) mostrada en la imagen. Luego, escribe la ley de radiación de Planck, que permite describir correctamente la energía emitida por un cuerpo negro, y añade la expresión E=hf, con la que Planck planteó que la energía se emite en cuantos. Finalmente, señala en la gráfica cómo cambia el pico de emisión cuando aumenta la temperatura.
Realiza la práctica utilizando el simulador Espectro de cuerpo negro.
Selecciona temperaturas aproximadas correspondientes a la Tierra, una bombilla incandescente, el Sol y Sirio A.
Para cada caso, observa la curva de radiación y registra en la hoja guía la longitud de onda máxima λmax, la intensidad máxima y la zona del espectro electromagnético en la que se ubica el pico de emisión.
Luego, con esos datos, calcula la constante de Wien y la energía asociada al pico de radiación. Finalmente, analiza cómo cambia la emisión de un cuerpo negro al aumentar la temperatura y redacta tus conclusiones en la hoja guía.
200 minutos para desarrollar la etapa
Durante el concurso de disfraces de Halloween en Kruger School, tres estudiantes aparecen disfrazados de Wien, Rayleigh y Planck. En medio de la presentación, Wien y Rayleigh comentan que existe un problema al intentar explicar cómo un cuerpo caliente emite radiación, porque las ideas de la física clásica no logran describir correctamente lo que ocurre a frecuencias muy altas. Entonces, Planck interviene y dice: “Tal vez el problema no está en la naturaleza, sino en la forma en que la estamos entendiendo. ¿Y si la energía no se emitiera de manera continua, sino en pequeñas cantidades discretas llamadas cuantos?”
Imagina que estás observando esa escena junto a tu mamá. Tu tarea será explicarle con tus propias palabras qué quisieron decir los tres personajes. En tu explicación debes incluir: qué es la radiación del cuerpo negro, cuál era el problema que no podía resolver la física clásica, qué propuso Planck para resolverlo y por qué la energía de la radiación depende de su frecuencia
IMPORTANTE:
No se evaluará solo que repitas definiciones, sino principalmente tu capacidad para comprender, explicar y comunicar con claridad el problema del cuerpo negro y la propuesta de Planck.
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10 minutos para desarrollar la etapa
NEE – Agregar el tipo de adaptaciones curriculares
Principio II: Pautas 6.1 – 6.3 – 6.4
Principio III: Pautas 7.1 – 8.1 – 9.1
ALUMNO 1: Constante monitoreo. Dar tiempo adicional para el desarrollo de la actividad y se reduce el número de ejercicios o se modifican los ejercicios con un nivel de dificultad reducido, de acuerdo con sus necesidades académicas.
ALUMNO 2: Constante monitoreo, Dar tiempo adicional para el desarrollo de la actividad y se reduce el número de ejercicios o se modifican los ejercicios con un nivel de dificultad reducido, de acuerdo con sus necesidades académicas.
ALUMNO 3: Constante monitoreo. Corroborar que el contenido entregado en clase haya sido comprendido por la estudiante mediante retroalimentación.