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Fisica 3° · 2024
Libro de Física 3 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

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Incertidumbre y longitud de onda de de Broglie de los neutrones

📄 ejercicios fisica 🎓 bachillerato · 3° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español
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Respuesta rápida

3.a) \Delta x_{\min}=2\times 10^{-5}\,x (0,02 mm para x=1\ \text{m}). 3.b) \Delta x'=9\times 10^{-5}\,x (0,09 mm); la incertidumbre aumenta 4,5 veces: menos exactitud = menos confiabilidad. 4.a) \lambda\approx 7{,}91\times 10^{-7}\ \text{m}. 4.b) y_1\approx 6{,}3\ \text{mm} del eje. 4.c) No es posible sin destruir la interferencia.

📚 exercise fisica ⭐⭐⭐ Dificultad 3/5 ⏱ 4 min lectura

Solución — Página 230

Fisica 3° · 2024

3
Ejercicio 3

En un instituto de física se realizan experimentos con rayos de luz y perturbaciones; los sensores de laboratorio informan rapidez y posición con una exactitud de 0,002 %.

a
Parte 3.a

La exactitud expresa el porcentaje de desviación admisible respecto al valor verdadero, por lo que equivale a la incertidumbre relativa:

\frac{\Delta x}{x}=0{,}002\,\%=\frac{0{,}002}{100}=2\times 10^{-5}

Despejando la incertidumbre absoluta mínima de la posición:

\Delta x_{\min}=\left(\frac{0{,}002}{100}\right)\cdot x=2\times 10^{-5}\,x

Ejemplo numérico. Si el electrón se ubica a x=1\ \text{m} del sensor:

\Delta x_{\min}=2\times 10^{-5}\ \text{m}=0{,}02\ \text{mm}

Y si se mide a escala atómica, x\approx 10^{-10}\ \text{m}:

\Delta x_{\min}=2\times 10^{-5}\times 10^{-10}=2\times 10^{-15}\ \text{m}

Respuesta

la incertidumbre mínima es el 0{,}002\ \% de la posición: \Delta x_{\min}=2\times 10^{-5}\,x (por ejemplo, 0{,}02\ \text{mm} cuando x=1\ \text{m}).

b
Parte 3.b

Ahora la exactitud es 0{,}009\ \%:

\frac{\Delta x'}{x}=0{,}009\,\%=9\times 10^{-5}\quad\Rightarrow\quad \Delta x'=9\times 10^{-5}\,x

Para x=1\ \text{m}:

\Delta x'=9\times 10^{-5}\ \text{m}=0{,}09\ \text{mm}

Comparación. El factor de aumento de la incertidumbre es:

\frac{\Delta x'}{\Delta x}=\frac{9\times 10^{-5}}{2\times 10^{-5}}=4{,}5

Conclusión: al aumentar el porcentaje de exactitud (es decir, al empeorar la calidad del sensor) la incertidumbre absoluta crece en 4{,}5 veces. Por lo tanto, menor exactitud implica mayor incertidumbre, menos confiabilidad en la determinación de la posición y menor resolución del experimento; para reducir \Delta x se necesitan sensores de mayor exactitud (porcentaje menor).

Respuesta

\Delta x'=9\times 10^{-5}\,x (0,09 mm si x=1\ \text{m}): menos exactitud significa más incertidumbre, es decir, resultados menos confiables.

4
Ejercicio 4

Neutrones con v=0{,}5\ \text{m/s} atraviesan dos rejillas separadas d=1{,}25\ \text{mm}; los sensores están a L=10\ \text{m} de las rejillas.

Datos: h=6{,}626\times 10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{s}, m_n=1{,}675\times 10^{-27}\ \text{kg}, d=1{,}25\times 10^{-3}\ \text{m}.

a
Parte 4.a

Aplicamos la relación de de Broglie \lambda=\dfrac{h}{m\,v}:

\lambda=\frac{6{,}626\times 10^{-34}}{1{,}675\times 10^{-27}\times 0{,}5}=\frac{6{,}626\times 10^{-34}}{8{,}375\times 10^{-28}}

\lambda\approx 7{,}91\times 10^{-7}\ \text{m}

Es decir, \lambda\approx 791\ \text{nm}, longitud comparable a la de la luz visible, y muy inferior a la separación de las rejillas (\lambda\ll d).

Respuesta

\lambda\approx 7{,}91\times 10^{-7}\ \text{m}\;(791\ \text{nm}).

b
Parte 4.b

Los máximos de interferencia de dos rendijas se obtienen con la condición:

d\,\text{sen}\,\theta=m\lambda,\qquad m=0,1,2,\dots

Para el primer punto de intensidad (primer máximo secundario, m=1):

\text{sen}\,\theta_1=\frac{\lambda}{d}=\frac{7{,}91\times 10^{-7}}{1{,}25\times 10^{-3}}=6{,}33\times 10^{-4}

Como el ángulo es muy pequeño, \text{sen}\,\theta\approx\tan\,\theta\approx\theta (en radianes):

\theta_1\approx 6{,}33\times 10^{-4}\ \text{rad}

La distancia sobre el plano detectores es:

y_1=L\,\tan\,\theta_1\approx L\,\theta_1=10\times 6{,}33\times 10^{-4}

y_1\approx 6{,}33\times 10^{-3}\ \text{m}\approx 6{,}3\ \text{mm}

(El primer mínimo, m=\tfrac12, estaría a \approx 3{,}2\ \text{mm} del eje.)

Respuesta

y_1\approx 6{,}3\times 10^{-3}\ \text{m}=6{,}3\ \text{mm} del eje central.

c
Parte 4.c

No es posible saber a través de qué rejilla pasó cada neutrón, al menos no sin destruir el patrón de interferencia. La posición de la onda asociada al neutrón se describe como una superposición de los dos caminos posibles; intentar determinar el «camino» (por ejemplo, colocando un detector en las rendijas) introduce una perturbación que desplaza aleatoriamente el neutrón e impide observar los máximos y mínimos de interferencia. Es el principio de complementariedad de Bohr y una consecuencia directa de las relaciones de incertidumbre de Heisenberg: se puede medir la posición o el momento con precisión, pero no ambos al mismo tiempo y con el patrón de interferencia intacto.

Respuesta

No; el conocimiento del camino es incompatible con la interferencia (complementariedad e incertidumbre de Heisenberg).

Contenido de la página

Actividades: exactitud, incertidumbre y onda de de Broglie

3. Incertidumbre de la posición de un electrón

Los sensores de un laboratorio informan rapidez y posición con una exactitud de 0{,}002\ \%.

  • a) La incertidumbre mínima es el porcentaje de la posición: \Delta x_{\min}=2\times 10^{-5}\,x.
  • b) Con una exactitud de 0{,}009\ \% la incertidumbre se multiplica por 4{,}5: menor exactitud implica mayor incertidumbre.

4. Neutrones atravesando dos rejillas

Separación d=1{,}25\ \text{mm}, rapidez v=0{,}5\ \text{m/s}, distancia a los sensores L=10\ \text{m}.

  • a) \lambda=\dfrac{h}{m v}\approx 7{,}91\times 10^{-7}\ \text{m}.
  • b) Primer máximo (m=1): y_1\approx 6{,}3\ \text{mm}.
  • c) No se puede determinar el camino sin destruir la interferencia.

Ejemplos resueltos

Un sensor informa la posición con exactitud del 0{,}002\ \%. ¿Cuál es la incertidumbre si el objeto está a 1\ \text{m}?

\Delta x=\frac{0{,}002}{100}\times 1=2\times 10^{-5}\ \text{m}=0{,}02\ \text{mm}.

Neutrones de 0{,}5\ \text{m/s}: calcular su longitud de onda de de Broglie.

\lambda=\frac{6{,}626\times 10^{-34}}{1{,}675\times 10^{-27}\times 0{,}5}=7{,}91\times 10^{-7}\ \text{m}.

Tablas (2)

Magnitud Valor
Rapidez de los neutrones 0{,}5\ \text{m/s}
Separación entre rejillas 1{,}25\ \text{mm}=1{,}25\times 10^{-3}\ \text{m}
Distancia rejillas–sensores 10\ \text{m}
Longitud de onda de de Broglie 7{,}91\times 10^{-7}\ \text{m}
Primer punto de intensidad 6{,}3\ \text{mm} del eje
Exactitud de los sensores Incertidumbre (para x=1\ \text{m}) Factor
0{,}002\ \% 0{,}02\ \text{mm} 1
0{,}009\ \% 0{,}09\ \text{mm} 4{,}5

Diagrama

graph LR
  A[Neutrón con v = 0,5 m/s] --> B[Rejilla 1]
  A --> C[Rejilla 2]
  B --> D[Sensor central (m = 0)]
  C --> D
  B --> E[Primer máximo (m = 1)]
  C --> E
  E --> F[y₁ ≈ 6,3 mm del eje]
  D --> G[Intensidad máxima en el eje]

Fórmulas y ecuaciones

\Delta x_{\min}=\left(\dfrac{0{,}002}{100}\right)x=2\times 10^{-5}x

\lambda=\dfrac{h}{m_n v}=\dfrac{6{,}626\times 10^{-34}}{1{,}675\times 10^{-27}\times 0{,}5}=7{,}91\times 10^{-7}\ \text{m}

y_1=L\dfrac{\lambda}{d}=10\times\dfrac{7{,}91\times 10^{-7}}{1{,}25\times 10^{-3}}=6{,}3\times 10^{-3}\ \text{m}

\Delta x = \left(@@MATH_0@@\right)\cdot x

\lambda = \frac{h}{m\,v}

d\,\text{sen}\,\theta = m\lambda

y = L\tan\theta \approx L\theta \ (\theta\ \text{en radianes})

Glosario (4)

Exactitud
Porcentaje que indica qué tan cerca está el valor medido del valor verdadero; equivale a la incertidumbre relativa expresada en tanto por ciento.
Incertidumbre
Rango de valores compatibles con la medición, típicamente el porcentaje de error esperado multiplicado por el valor medido.
Longitud de onda de de Broglie
Longitud asociada a toda partícula en movimiento, dada por λ = h/(m·v), que permite explicar fenómenos de difracción e interferencia.
Principio de complementariedad
Establece que las descripciones onda y partícula son complementarias: no pueden observarse simultáneamente en un mismo experimento.

Preguntas para practicar

**4.c** Si un neutrón llega a un sensor detector, ¿es posible saber a través de qué rejilla pasó dicho neutrón? Argumento mi respuesta.

No es posible. Determinar el camino de un neutrón exige un dispositivo de medición que lo perturbe y desplace aleatoriamente su posición, de modo que desaparece el patrón de máximos y mínimos de intensidad. Es el principio de complementariedad de Bohr, coherente con el principio de incertidumbre de Heisenberg: onda (interferencia) y partícula con camino definido son descripciones incompatibles entre sí.

¿Por qué la incertidumbre aumenta si el porcentaje de exactitud de los sensores es mayor?

Porque la exactitud porcentual es justamente la incertidumbre relativa; un porcentaje mayor equivale a admitir un rango más amplio de valores verdaderos para la misma magnitud, por lo que la incertidumbre absoluta $\Delta x = (\%)/100 \cdot x$ crece de forma proporcional.

Temas y conceptos clave

Exactitud e incertidumbre de las medicionesLongitud de onda de de BroglieInterferencia de dos rendijas con neutronesPrincipio de complementariedad y relaciones de incertidumbreexactitudincertidumbre relativaincertidumbre absolutalongitud de onda de de Broglieseparación entre rendijascondición de máximos de interferenciaángulos pequeñoscomplementariedad

Fuentes y referencias

  • Constante de Planck h = 6,626×10⁻³⁴ J·s
  • Masa del neutrón mₙ = 1,675×10⁻²⁷ kg
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Preguntas que la gente también hace

¿Qué diferencia hay entre exactitud e incertidumbre en una medición?
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¿Cómo se calcula la longitud de onda de de Broglie de una partícula?
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¿Por qué no es posible saber por cuál rendija pasó un neutrón en el experimento de interferencia?
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📌 Antes de leer esto
  • • Porcentajes y notación científica
  • • Conversión de unidades (mm a m, m/s)
  • • Trigonometría básica de ángulos pequeños (sen ≈ tan ≈ θ en radianes)
  • • Concepto de dualidad onda-partícula y constante de Planck
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Estructura de la materia, modelo atómico y espectros de emisión y absorción
📝 Transcripción de la página (texto seleccionable) 985 caracteres
  1. Leo el siguiente problema y realizo las actividades a continuación:

En un instituto de física serealizan diferentes experimentos mediante rayos de luz y perturbaciones. Frente a ello, los sensores de laboratorio muestran información de rapidez y posición con una exactitud de 0,002%.

a) Estimo la incertidumbre mínima para determinar la posición del electrón.

b) Si la exactitud cambia a 0,009%, entonces la incertidumbre también cambia. Realizo el cálculo y emito una conclusión referente a la exactitud.

  1. Leo el problema y determino lo siguiente:

A través de un par de rejillas que se encuentran separadas entre sí por 1,25 mm pasan neutrones que viajan a una rapidez de 0,5 m/s. Si a 10 metros de las rejillas se coloca un grupo de sensores detectores.

a) ¿Cuál es la longitud de la onda de Broglie de los neutrones?

c) Si un neutrón llega a un sensor detector, ¿es posible saber a través de qué rejilla pasó dicho neutrón? Argumento mi respuesta.

Texto de Física \ 599

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