Universitat de Girona

Programa de l'assignatura

Curs 2004-05

3105II0002 FONAMENTS FÍSICS DE LA INFORMÀTICA


Objectius  


Coneixements

- Conéixer de manera bàsica l’estructura elèctrica de la matèria, en particular en aquelles formes de major interès en electrònica: metalls, dielèctrics i semiconductors.

- Conéixer el comportament dels camps elèctric i magnètic, en relació a les càrregues que els generen i els efectes que produeixen en la matèria.

- Justificar el comportament dels components elèctrics en els circuits, a partir de les nocions de camp elèctric i magnètic.

Habilitats

- Calcular els camps elèctric, magnètic i de potencial generats per diferents distribucions de càrrega en repós o en moviment, i tant lliures com en conductors o lligades en dielèctrics

- Descriure i formular els efectes que introdueixen els condensadors, generadors, resistències i autoinduccions quan s’insereixen en circuits, tant en règim estacionaris com variables en el temps

- Calcular la distribució de corrents i potencials en un circuit estacionari

- Calcular la distribució de corrents i potencials en condicions variables amb el temps: en règim transitori, i en circuits de corrent altern

- Aplicar les eines matemàtiques necessàries per la consecució dels objectius enunciats anteriorment.

Els coneixements i habilitats adquirits han de fonamentar la preparació de l’estudiant de cara a les assignatures dels cursos posteriors.


 
Prerrequisits  

És necessari tenir coneixements mínims de Física, Química i Matemàtiques a nivell de batxillerat per afrontar l’aprenentatge dels Fonaments Físics de la Informàtica.

Destacarem els següents:

  • Magnituds i unitats
  • Lleis bàsiques de la mecànica i de l’electromagnetisme
  • Vectors, producte escalar i vectorial
  • Trigonometria
  • Resolució d’ecuacions
  • Representació de funcions
  • Derivades
  • Integrals immediates i resolució per canvi de variable.
  • Enllaç químic

Cal tenir assolides les habilitats per:

  • Afrontar l’aprenentatge en solitari
  • Realitzar i presentar treballs correctament
  • Saber treballar en grup
  • Expressar i exposar correctament opinions
  • Cercar la bibliografia adequada i extreure la informació necessària
 
Contingut (Programa)  

BLOC I

1. Naturalesa elèctrica de la matèria (I)

  • 1.1 Estructura de la matèria. Càrrega elèctrica.
  • 1.2 Conductors. Portadors de càrrega. Metalls.
  • 1.3 Dielèctrics. Càrrega lligada. Dipol elèctric. Polarització

2. Naturalesa elèctrica de la matèria (II)

  • 2.1 Bandes d’energia. Conductors i aïllants.
  • 2.2 Semiconductors. Estructura. Semiconductors intrínsecs i dopats.
  • 2.3 Llei de Coulomb. Forces entre càrregues.

3. Camp elèctric

  • 3.1 Camp elèctric. Definició. Representació gràfica. Exemples
  • 3.2 Principi de superposició. Distribucions de càrrega. Anell, disc i pla infinit. Aplicacions: condensador plano-paral·lel, unió PN en equilibri.

4. Potencial elèctric

  • 4.1 Energia potencial. Treball elèctric. Energia potencial. Energia associada a distribucions de càrrega.
  • 4.2 Potencial elèctric. Definició. Representació. Aplicacions: condensador plano-paral·lel, unió PN.

5. Llei de Gauss

  • 5.1 Flux elèctric. Definició. Llei de Gauss. Exemples.
  • 5.2 Conductors en equilibri electrostàtic. Càrrega lliure. Equilibri electrostàtic. Camps interior i a la superfície. Potencial del conductor. Exemples.

6. Capacitat

  • 6.1 Capacitat. Capacitat d’un conductor. Condensador. Geometries.
  • 6.2 Energia del condensador carregat.
  • 6.3 Condensadors amb dielèctrics. Susceptibilitat i permitivitat. Capacitat.
  • 6.4 Capacitat equivalent. Connexió en paral·lel. Connexió en sèrie.

BLOC II

7. Corrent elèctric

  • 7.1 Introducció. Corrent elèctric. Intensitat.
  • 7.2 Llei d’Ohm. Resistivitat i conductivitat. Resistència. Llei de Ohm.
  • 7.3 Circuit. Generador i força electromotriu. Circuit amb pila i resistència. Característiques: generador, resistència, diode.
  • 7.4 Energia. Efecte Joule. Potència. Balanç energètic.

8. Circuits (I)

  • 8.1 Resistència equivalent. Connexió en sèrie. Connexió en paral·lel.
  • 8.2 Circuits de corrent continu. Anàlisi de circuits sèrie i paral.lel. Aplicacions: voltímetre, amperímetre, divisor de tensió.

9. Circuits (II)

  • 9.1 Regles de Kirchhoff. Regla dels nusos. Regla de les malles. Anàlisi de circuits.
  • 9.2 Exemples: pont de Wheatstone, bateries.

10. Camp magnètic

  • 10.1 Introducció. Descripció. Representació.
  • 10.2 Efectes. Forces sobre càrregues en moviment. Forces sobre conductors portadors de corrent elèctric. Aplicacions: efecte Hall.
  • 10.3 Generació. Llei de Biot i Savart. Llei d’Ampère. Exemples: solenoides, forces entre conductors.

11. Inducció

  • 11.1 Introducció. Flux magnètic. Lleis de Faradai i de Lenz. Exemple: generació de tensió alterna.
  • 11.2 Inducció. Inducció mútua. Transformador. Autoinducció.
  • 11.3 Energia de l’autoinducció.

BLOC III

12. Fenomens transitoris

  • 12.1 Circuit RC. Càrrega i descàrrega del condensador.
  • 12.2 Circuit RL. Connexió i desconnexió.
  • 12.3 Circuit RLC. Oscil·lacions lliures i esmorteides.

13. Corrent altern (I)

  • 13.1 Introducció. Oscil·lacions estacionàries (forçades). Comportaments de components. Notació complexa.
  • 13.2 Energia. Potència activa i reactiva.

14. Corrent altern (II)

  • 14.1 Circuits sèrie. Filtre RC, bobina real, circuit RLC ressonant
  • 14.2 Altres circuits.

BLOC IV

Pràctiques de laboratori

  • 1. Representacions gràfiques: Llei de Coulomb.
  • 2. Electrostàtica
  • 3. Capacitat i condensadors.
  • 4. Corrent continu
  • 5. Camp magnètic d’una bobina.
  • 6. Oscil·lacions elèctriques esmorteides i forçades
 
Bibliografia  


  • Física. Vol. II . P.A. Tipler. Ed. Reverté.
  • Física Clásica y Moderna. W. E. Gettys, F.J. Keller i M.J. Skove. Ed. Mc Graw-Hill.
  • Física. Vol. 2. F.W. Sears, M.W. Zemansky, H.D. Young, R.A. Freedman. Ed. Addison Wesley Longman.
  • Física. Vol 2. R.A. Serway, J.W. Jewett, Jr. Thomson Editores Spain (2002)
 
Mètodes docents  

Activitats

El curs s’estructura en lliçons, una per sessió, i aquestes s’agrupen en blocs. El fet de dedicar una sessió a cada lliçó permet l’acompliment del programa del curs. Dins de cada sessió es dóna prioritat a aquells aspectes realment imprescindibles pel seguiment del curs, i el tractament d’altres aspectes no imprescindibles (ampliacions) dependrà del desenvolupament de la sessió i de les possibilitats del grup. D’aquesta manera s’evita deixar qüestions importants pendents per la propera sessió, i cada sessió es pot considerar una unitat amb el seu plantejament, desenrotllament i conclusió.

Per tal d’aconseguir l’aprenentatge, els alumnes hauran de seguir diverses activitats. Aqui es considerarà l’activitat de l’alumne, d’acord amb la voluntat d’implantar el crèdit ECTS com a unitat de mesura de l’esforç de l’alumne per superar l’assignatura

Les activitats a dur a terme són:

1. Preparació prèvia de la classe per part de l’alumne

2. Classes teòriques a l’aula

3. Classes pràctiques a l’aula (resolució de problemes)

4. Classes pràctiques al laboratori

5. Tutories

6. Estudi

7. Examens

1. Preparació prèvia de la classe per part de l’alumne

Per tal d’activar la participació de l’alumne a la classe és necessari que aquest hi arribi amb una certa preparació. Ha de saber si els seus coneixements previs són adequats per afrontar la sessió teòrica, i com adquirir-los en cas de que no sigui així. També cal que hagi fet una lectura d’un cert material de preparació. Tota aquesta informació estarà al seu abast al portal de la Universitat (La meva UdG).

2. Classes teòriques a l’aula

La durada de les sessions es de 2 hores.

L’objectiu d’aquesta sessió és donar als alumnes els coneixements del tema, i alhora assegurar que aquests han estat ben assimilats. Per això la sessió es divideix en dues parts:

Primera part. Per començar, s’informarà als alumnes dels conceptes i habilitats que haurà assolit al termini de la sessió. Es despertarà l’interès pràctic, fent o explicant alguna experiència, plantejant qüestions, o introduint alguna aplicació tècnica del tema.

Continuarà la sessió amb l’enunciat i explicació dels fets i lleis bàsiques, en relació a les qüestions plantejades prèviament. S’insistirà més en aquells aspectes que puguin ser més conflictius o difícils d’assimilar.

Segona part. Es plantejaran una sèrie d’exercicis que els alumnes hauran de resoldre en grups, i que serviran per aclarir i afiançar els conceptes explicats en la part anterior, i mitjançant els quals els alumnes podran veure el grau d’assimilació del tema. El professor els orientarà sobre els seus dèficits i la manera de corregir-los. Aquesta part servirà també al professor per fer un seguiment global de l’aprenentatge. Es procurarà que el treball sigui col·lectiu, amb les corresponents discussions per equips o globals.

Finalment es revisarà i comprovarà si s’han acomplert els objectius expressats a l’inici de la sessió.

Com a eines per agilitzar el desenvolupament de la sessió es comptarà amb els mitjans informàtics i audiovisuals disponibles a l’aula (retroprojectors, ordinadors i canons, connexió a la xarxa informàtica)

3. Classes pràctiques a l’aula (resolució de problemes)

La durada d’aquestes sessions és d’una hora, i es realitzen en grups més petits que els de teoria. Cada grup de teoria es desdobla en dos de práctiques d’aula. Es dedicarà a la resolució de problemes d’aplicació dels temes ja tractats en les sessions teòriques. Els alumnes disposaran d’un llistat de problemes (amb la solució) de cada lliçó, a més dels enunciats (i resolucions) d’examens de cursos anteriors. Es preten que siguin sessions on els alumnes aportin més esforç individual que en les sessions teòriques, encara que també es fomentarà la discussió en grup.

 

4. Classes pràctiques al laboratori

L’objectiu principal de les pràctiques de laboratori és enfrontar a l’alumne (un futur enginyer) amb la realitat. Haurà de comprendre i assumir que les situacions físiques reals no són tan simples com les tractades en la teoria i els problemes. També són objectius de les sessions de laboratori la familiarització amb diversos instruments de mesura i eines de tractament de les dades (calculadora, ordinador), així com l’adquisició d’unes pautes de presentació d’informació (taules, gràfiques, resums).

Aquestes classes es fan al laboratori de Física. L’ assistència a les pràctiques es obligatòria per tots els alumnes. Cada sessió té una durada de 2 hores. El calendari de pràctiques és conegut per l’alumne al començament del curs. Quan l’alumne assiteixi al laboratori, el fonament teòric de la pràctica corresponent ja haurà estat tractat en les sessions teòriques. Durant la sessió de pràctiques, els alumnes treballen en grups de no més de 4. Dediquen un cert temps a la realització de les mesures d’acord amb un guió que tenen a la seva disposició des de l’inici del curs, per realitzar a continuació el tractament de les dades i respondre algunes qüestions. Finalment, omplen un full preparat, amb un extracte de le les mesures i càlculs realitzats, i les respostes a algunes de les qüestions plantejades. Aquest informe serà corregit pel professor i retornat a l’alumne.

5. Tutories

L’alumne té la possibilitat d’utilitzar l’horari de tutories del professorat per plantejar dubtes sobre el desenvolupament de l’assignatura, o el contingut d’alguna sessió del curs. Podran ser individualitzades, però es fomentarà l’assistència en grup, per tal d’augmentar l’eficiència global d’aquestes sessions. Els alumnes coneixeran l’horari d’atenció als estudiants de cada professor des de l’inici del curs.

Es fomentarà especialment la consulta a través del correu electrònic. Si és possible, s’utilitzaran altres vies de comunicació com forums…

6. Estudi

Encara que es preten extreure el màxim rendiment a les sessions presencials, el temps dedicat no serà suficient. L’alumne haurà de dedicar un temps a l’estudi personal dels continguts del curs. S’ha considerat que 1,5 hores per cada hora de teoria i problemes presencial i 1hora per cada hora de pràctiques hauria de ser suficient a un estudiant mig per superar aquesta assignatura. També s’hauran d’afegir aproximadament entre 14 i 16 hores d’estudi abans dels exàmens.

7. Examens

Dues proves parcials de 2 hores i un examen final de 3 hores. A les proves parcials es plantegen qüestions teòriques i problemes, mentre que a l’examen final s’avaluen també les pràctiques de laboratori.

 
Tipus d'exàmens i avaluacions  

A banda de l'examen final, els alumnes seran avaluats de manera progressiva durant el curs, mitjançant proves parcials. La matèria es reparteix, a l’hora de l’avaluació, en quatre parts:

Bloc 1. Temes 1 a 6 (30% de la nota)

Bloc 2. Temes 7 a 11 (30% de la nota)

Bloc 3. Temes 12 a 14 (20% de la nota)

Bloc 4. Pràctiques (20% de la nota)

Durant el periode de classes hi haurà sengles examens parcials sobre els Blocs 1 i 2.

L’examen final (primera i segona convocatòria) serà dividit entre els quatre blocs. Les notes finals dels blocs 1 i 2 seran per cada bloc les millors de les obtingudes entre el parcials i el final.

L’examen és el mateix per tots els estudiants (repetidors o nous), inclosa la part de pràctiques.

 
Informació addicional  

Web de l'àrea de Física Aplicada

Professors (amb enllaç per enviar correu electrònic):

Responsable ETIG : Esmeralda Úbeda. Departament de Física. Despatx 117 Politècnica II Tutories: dilluns de 10 a 13 h i dimecres de 11 a 12h i de 17 a 19 h.

Responsable ETIS: Josep-Abel González. Departament de Física. Despatx 117 Politècnica II Tutories: dilluns de 10 a 13 h i de 15 a 16 h, i dimarts de 15 a 17 h.

Professors de problemes: Esmeralda Úbeda, Josep-Abel González i Jesús Planella

Professors de laboratori: Marianna Soler, Rosa Berlanga, Lluïsa Escoda, Joaquim Fort, Joan Saurina, Josep Pararols, Josep Mejías.

 
Llengua de les classes  

Català