Física de 2º: relatividad especial

La relatividad especial forma parte del bloque D de la Física de 2º de Bachillerato, junto con la física cuántica, la nuclear y la de partículas. Es un tema breve en el temario pero muy productivo en el examen: con dos postulados y una sola expresión, el factor de Lorentz, se resuelven problemas de dilatación del tiempo, de contracción de la longitud y de energía relativista que aparecen con frecuencia en la PAU de Física. Este material está pensado para que domines esos cálculos y entiendas por qué la física clásica deja de valer cuando la velocidad se acerca a la de la luz.

El cuestionario tiene doce preguntas. La mayoría son problemas numéricos de varios pasos: la distancia que recorren los muones atmosféricos gracias a la dilatación del tiempo, la velocidad a la que una regla se mide con la mitad de su longitud, la duración de un viaje interestelar según el reloj de la nave, la energía en reposo del electrón expresada en MeV, la velocidad de un protón o de un electrón a partir de su energía cinética y la masa que pierde el Sol cada segundo al emitir energía. En varias preguntas el distractor es justo el resultado de aplicar la fórmula clásica, para que veas dónde falla. Las preguntas conceptuales tratan los dos postulados de Einstein, el resultado nulo del experimento de Michelson y Morley, la relatividad de la simultaneidad (el clásico tren alcanzado por dos rayos) y el carácter de velocidad límite de la luz.

Las tarjetas de memoria repasan el factor de Lorentz, el tiempo propio y la longitud propia, las expresiones de la dilatación y la contracción, la energía en reposo, la energía total y la energía cinética relativistas, la equivalencia entre masa y energía y el enunciado preciso de los postulados.

El trabajo escrito reúne ocho tareas para resolver a mano: problemas completos que piden comparar lo que miden dos observadores (los muones vistos desde la Tierra y desde su propio sistema, un viaje a $0{,}60c$), el cálculo de la energía de un protón comparado con la predicción clásica, la demostración de que la energía cinética relativista se reduce a $\frac{1}{2}m{v}^2$ a baja velocidad y explicaciones razonadas sobre los postulados, la simultaneidad, la equivalencia masa-energía y las limitaciones de la física clásica. Son buenas ocasiones para practicar una respuesta abierta bien argumentada.

Los datos se dan siempre en el enunciado ($c=\mathrm{3,00}\cdot {10}^8$ m/s y las energías en reposo necesarias), con coma decimal y unidades del Sistema Internacional o MeV. El material sirve para aprender el tema y para repasarlo antes del examen.

• Enunciar los postulados de la relatividad especial y relacionarlos con el resultado del experimento de Michelson y Morley.
• Calcular el factor de Lorentz y aplicar la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud, identificando tiempo propio y longitud propia.
• Calcular energía en reposo, energía total y energía cinética relativistas, y obtener la velocidad de una partícula a partir de su energía.
• Aplicar la equivalencia masa-energía a la energía liberada en procesos físicos.
• Explicar la relatividad de la simultaneidad y por qué c es una velocidad límite.

Material de práctica elaborado por Zestly a partir de los saberes básicos del bloque D (Principios fundamentales de la Relatividad especial y sus consecuencias) de Física de 2º de Bachillerato, Real Decreto 243/2022.