Simulação de Propriedades da Matéria

Vista previa del material en texto

1 
 
Simulación de Propiedades de la Materia 
Guía de Aprendizaje – Información al estudiante 
1. Datos Descriptivos 
 
Asignatura Simulación de Propiedades de la Materia. 
Materia M15: Optativa 
Departamento 
responsable 
Tecnologías Especiales Aplicadas a la Telecomunicación 
Créditos ECTS 4,5 
Carácter Optativa 
Titulación Graduado en Ingeniería de Tecnologías y Servicios de 
Telecomunicación 
Curso Tercero / Segundo 
Especialidad No aplica 
 
Curso académico 2013-2014 
Semestre en que se 
imparte Segundo Semestre 
Idioma en que se 
imparte Castellano 
Página Web 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 
DESCRIPCIÓN DE LA ASIGNATURA 
 
La Asignatura Laboratorio Virtual de Simulación de Propiedades de la Materia se 
desarrolla utilizando una nueva metodología de simulación basada en el uso de 
distintos paquetes informáticos, con el objetivo fundamental de complementar y 
reforzar la formación del alumno en el comportamiento y las propiedades 
microscópicas y macroscópicas de la materia. 
La visualización interactiva de los procesos mediante estas simulaciones ayuda a 
fijar y reconocer los comportamientos de las propiedades cuánticas de la materia, 
desde el comportamiento microscópico de ondas y partículas hasta propiedades 
de los sólidos. 
Algunos de los conceptos que se utilizan en las Prácticas, se imparten en diversas 
asignaturas fundamentales del nuevo Plan de Estudios del Graduado en 
Ingeniería de Tecnologías y Servicios de Telecomunicación, permitiendo ser 
comprobados mediante la simulación que se lleva a cabo usando un portal web 
propio de la asignatura como laboratorio virtual. 
Cada una de las Prácticas de Simulación conlleva una explicación teórica por el 
profesor, accesible además en el portal web, de los fundamentos físicos de las 
propiedades que se van a visualizar, para comprender adecuadamente el 
desarrollo de las prácticas semanales. 
El desarrollo de las actividades será eminentemente práctico y el trabajo de los 
alumnos se organizará por parejas en el Aula HP de la Escuela, conectada con el 
portal web de la asignatura. Todas las prácticas son independientes y cada una de 
ellas utiliza su propio paquete informático para la realización. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
2. Profesorado 
 
NOMBRE Y APELLIDO DESPACHO Correo electrónico 
Perla Wahnon Benarroch A-034 perla@etsit.upm.es 
 
 
3. Conocimientos previos requeridos para poder seguir 
con normalidad la asignatura 
 
Asignaturas 
superadas • N/A 
Otros resultados de 
aprendizaje 
necesarios 
• N/A 
 
 
 
 
 
mailto:perla@etsit.upm.es
 
 
 
 
 
 
 
4 
4. Objetivos de Aprendizaje 
 
COMPETENCIAS ASIGNADAS A LA ASIGNATURA Y SU NIVEL DE 
ADQUISICIÓN 
Código Competencia Nivel 
CG1-
CG13 
Todas las asignaturas del Plan de Estudios contribuyen en 
mayor o menor medida a la consecución de las 
competencias generales del perfil de egreso. 
1 
CEB3 
Comprensión y dominio de los conceptos básicos sobre las 
leyes generales de la mecánica cuántica y de las ondas y 
electromagnetismo y su aplicación para la resolución de 
problemas propios de la ingeniería. 
2 
CEB4 
Comprensión de los principios físicos de los 
semiconductores y su aplicación para la resolución de 
problemas propios de la ingeniería. 
2 
CECT3 
Que los estudiantes adquieran la capacidad de utilizar 
herramientas informáticas de búsqueda de recursos 
bibliográficos o de información relacionada con las 
telecomunicaciones y la electrónica. 
1 
 
LEYENDA: Nivel de adquisición 1: Básico 
 Nivel de adquisición 2: Medio 
 Nivel de adquisición 3: Avanzado 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 
RESULTADOS DE APRENDIZAJE DE LA ASIGNATURA 
Código Resultado de aprendizaje 
Competen-
cias 
asociadas 
Nivel de 
adquisi-
ción 
RA1 
Capacidad para explicar los conceptos 
fundamentales relacionados con las 
propiedades de la materia, utilizando una 
terminología científica apropiada 
CG1, CG2, 
CG3, CG4, 
CG7,CG8 
3 
RA2 
Capacidad para obtener y deducir 
propiedades y características de la 
materia mediante el uso de programas 
informáticos de simulación. 
CEB3 2 
RA3 
Comprender la relación entre las 
estructuras electrónicas y las propiedades 
de los semiconductores 
CEB4 2 
RA4 
Comprensión de la importancia del 
conocimiento de los procesos cuánticos 
fundamentales como base de 
conocimiento para las tecnologías 
actuales. 
CEB3, 
CECT3 1 
 
 
 
 
 
 
 
6 
5. Sistema de evaluación de la asignatura 
 
INDICADORES DE LOGRO 
Ref Indicador 
Relaciona-
do con RA 
I1 Conocimiento del comportamiento estático y dinámico de los 
paquetes de ondas gaussianos. RA1, RA2 
I2 Comprensión de la propagación de las ondas en distintos 
medios y saber aplicarlo al cálculo de espesores de capas. RA1, RA2 
I3 
Saber simular el comportamiento de partículas sometidas a 
distintos tipos de potenciales y poder determinar frecuencias 
de oscilación atómicas. 
RA1, RA2 
I4 Ser capaz de determinar la frecuencia de vibración de una 
molécula basándose en el modelo del oscilador armónico. RA1, RA2 
I5 Conocer el comportamiento de las funciones atómicas y saber 
medir las energías de los niveles cuánticos del átomo de H. RA1, RA2 
I6 Comprender las propiedades electrónicas de moléculas y 
agregados y saber modelarlos. RA1, RA2 
I7 Conocer el comportamiento cuántico de los electrones en un 
solido, así como la formación de bandas de energías. RA3, RA4 
I8 
Comprender las propiedades electrónicas de los distintos 
tipos de semiconductores. Entender los diagramas de 
energías. 
RA3, RA4 
I9 
Comprensión de la dinámica de redes cristalinas reales y sus 
ecuaciones de movimiento. Conocer los diagramas de 
dispersión de las distintas estructuras. 
RA3, RA4 
I10 Conocer el comportamiento térmico de los sólidos a distintas 
temperaturas y los distintos modelos de simulación. RA3, RA4, 
I11 
Conocer los diferentes materiales magnéticos, sus 
características y sus propiedades. Entender las curvas de 
histéresis de los materiales ferromagnéticos. 
RA3, RA4 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
EVALUACION SUMATIVA 
Breve descripción de las actividades 
evaluables Momento Lugar 
Peso 
en la 
calif. 
Asistencia y participación activa en clase y Todo el 
semestre Aula HP 
Evaluaciones continua semanales de las 
practicas de simulación por parejas 
Todo el 
semestre 
Aula de clase 
HP 60% 
Evaluación final individual Fecha 
convenida Aula HP 40% 
Total: 100% 
 
 
CRITERIOS DE CALIFICACIÓN 
Se califica mediante evaluación continua teniendo en cuenta la asistencia y 
participación a las clases. La asistencia a las prácticas de simulación es obligatoria. 
La evaluación de los conocimientos adquiridos se realiza semanalmente al finalizar 
cada práctica, realizada en pareja, mediante la contestación de un cuestionario 
personalizado en el portal web de la asignatura con los resultados obtenidos en la 
práctica (60). La evaluación final individual se realizara el ultimo día de la asignatura 
y consistirá en una práctica (s) de simulación similar a las realizadas durante el curso 
pero hecha de forma individual por cada alumno (40%). 
En cumplimiento de la Normativa de la Universidad Politécnica de Madrid, los 
alumnos que lo deseen serán evaluados mediante una única prueba final, siempre y 
cuando hayan realizados las prácticas y lo comuniquen al coordinador de la 
asignatura mediante solicitud presentada en el registro de la ETSI Telecomunicación 
antes del 15 de octubre de 2011. La presentación de este escrito supondrá la 
renuncia automática a la evaluación continua. 
La evaluación de la asignatura en su convocatoria extraordinaria se realizará 
mediante una única prueba final, con independencia de la opción elegida en la 
convocatoria ordinaria y siempre que hayan realizado las prácticas durante el curso. 
La asignatura se superará cuando se obtenga una calificación de 5.0 puntos o más 
sobre un total de 10 puntos. 
 
 
 
 
 
 
 
8 
6. Contenidos y Actividades de Aprendizaje 
 
 
CONTENIDOSESPECÍFICOS 
Bloque / Tema / 
Capítulo Apartado 
Indicadores 
Relaciona-
dos 
1. Partícula libre. 
Dualismo Onda-
Partícula 
1.1 Introducción I1 
1.2 Generación de un paquete gaussiano I1 
1.3 Principio de incertidumbre I1 
1.4 Propagación, dispersión y normalización 
del paquete de ondas I1 
2. Transmisión y 
Reflexión en Pozos y 
Barreras de Potencial 
2.1 Reflexión de un paquete de ondas por un 
pozo de potencial I2 
2.2 Coeficiente de Transmisión para ondas 
monocromáticas y paquetes gaussianos I2 
2.3 Barrera de potencial. Deformación del 
paquete de ondas I2 
2.4 Aplicación: Determinación del espesor de 
una capa de óxido. I2 
3 Sistemas de Pozos 
de Potencial 
3.1 Potencial cuadrado I3 
3.2 Sistemas de doble pozo. I3 
3.3 Efecto Túnel I3 
3.4 Determinación de la frecuencia de 
oscilación del N en el NH3 
I3 
4. El Oscilador 
Armónico en Mecánica 
Cuántica 
4.1 Introducción I4 
4.2 Vibración de una molécula diatómica I4 
4.3 Energías y Funciones propias del 
oscilador I4 
4.4 Determinación teórica y práctica de la 
frecuencia de oscilación del H2 
 
I4 
 
 
 
 
 
 
 
9 
5. El átomo de 
Hidrógeno: Energía, 
Radio y Funciones 
Atómicas 
5.1 Introducción I5 
5.2 Desarrollo de la Función de 
Schroedinger I5 
5.3 Valores propios y números cuánticos I5 
5.4 Radio y energía del átomo de Hidrógeno I5 
5.5 Funciones de probabilidad radial y 
angular I5 
6. Formación de 
Moléculas, 
Agregados y 
Sólidos 
6.1 Formación de orbitales moleculares I6 
6.2 Moléculas diatómicas y poliatómicas I6 
6.3 Agregados y Microsólidos I6 
6.4 Formación de impurezas I6 
7. Bandas de Energías 
en Sólidos. 
7.1 Modelo cuántico de gas de electrones 
libres I7 
7.2 Modelo cuántico de electrones no libres. 
Teoría de bandas I7 
7.3 Teorema de Bloch I7 
7.4 Modelo de potencial de Kronig- Penney I7 
8. Diagramas de 
Bandas para distintos 
Materiales 
8.1 Formación de bandas de energías I8 
8.2 Efectos de la barrera y del potencial I8 
8.3 Formación de Bandas con impurezas I8 
8.4 Efectos de superficie I8 
9. Dinámica de redes. 
Vibraciones de los 
sólidos 
 
9.1 Introducción I9 
9.1 Vibración de una cadena lineal 
monoatómica I9 
9.2 Vibración de una cadena lineal 
biatómica I9 
9.3 Determinación de las vibraciones de una 
red tridimensional I9 
9.4 Densidad de estados de vibración. 
Modos fonónicos. I9 
 
 
 
 
 
 
 
10 
 
 
 
 
 
 
 
10. Modelos de Calor 
Específico en los 
sólidos 
10.1 Teoría clásica del calor específico I10 
10.2 Modelo de Einstein I10 
10.3 Modelo de Debye I10 
10.4 Determinación de curvas de Calor 
Específicos para distintos materiales I10 
11. Propiedades y 
Características de los 
Materiales Magnéticos 
11.1 Introducción I11 
11.2 Momentos magnéticos I11 
11.3 Campos magnéticos, inducción 
magnética y magnetización I11 
11.4 Comportamiento magnético de los 
materiales. Dominios magnéticos. I11 
12. Materiales 
Ferromagnéticos 
12.1 Propiedades de los materiales 
ferromagnéticos I11 
12.2 Ciclo de Histéresis I11 
12.3 Efecto de la Temperatura. Ley de Curie. I11 
 
 
 
 
 
 
 
11 
7. Breve descripción de las modalidades organizativas 
utilizadas y de los métodos de enseñanza empleados 
 
 
CLASES TEÓRICAS 
La exposición del contenido teórico de la asignatura, basada 
en medio audiovisuales, se realizará mediante lección 
magistral. 
PRÁCTICAS 
Los alumnos agrupados en parejas, resolverán en el 
laboratorio virtual interactivo conectado en el Aula HP, las 12 
prácticas propuestas, utilizando los diferentes programas 
informáticos puestos a disposición del alumno en el portal 
Web de la asignatura. Los alumnos elaborarán y entregarán a 
través de la Plataforma Web las evaluaciones individuales de 
cada una de las prácticas realizadas. 
TRABAJOS 
AUTÓNOMOS 
Los alumnos deberán comprender los contenidos teóricos 
explicados antes de realizar las prácticas y resolver diversos 
ejercicios de cálculo individualmente. 
TRABAJOS EN 
GRUPO 
Antes de comenzar una nueva práctica, los alumnos junto al 
profesor resolverán en grupo las dudas surgidas en la 
práctica anterior. 
Además, los alumnos tienen a su disposición en el portal de 
la asignatura un foro de discusión en grupo. 
TUTORÍAS 
Los alumnos tendrán acceso a las tutorías personalizadas, 
cuando sean solicitadas al profesor en los horarios 
previamente establecidos y de forma interactiva 
permanentemente mediante el portal web de la asignatura. 
 
 
 
 
 
 
 
12 
8. Recursos didácticos 
 
RECURSOS DIDÁCTICOS 
BIBLIOGRAFÍA 
Guión del contenido temático completo, teórico y práctico, de la 
asignatura. Manual de usuario de la Plataforma. 
Disponible en el servidor de la asignatura: 
http://spmt.gdc.tat.upm.es/ 
Simulación de Propiedades de la Materia. Fundamentos 
Teóricos I. P. Wahnón. Ed. ETSI Telecomunicación. (2003). 
Manual de Prácticas de Simulación de Propiedades de la 
Materia. Módulos I y II. P. Wahnón y col. Ed. ETSI 
Telecomunicación, (2000). 
Física Cuántica, Atomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos y 
Partículas. R. Eisberg & R. Resnick. Ed: Limusa 
Askeland, D.R., “La ciencia de los materiales”, Ed. Grupo 
Editorial Iberoamericano 
Introducción a la Física del Estado Sólido. Ch. Kittel. 3ª edición. 
Ed.: Reverté . 
RECURSOS WEB 
Página web de la asignatura: (http:// ) 
 http://www.gdc.tat.upm.es/PresentacionSPMT/SPMT-1.htm 
 http://spmt.gdc.tat.upm.es/ 
EQUIPAMIENTO 
Aula HP de la Escuela con ordenadores personales conectados 
al portal web de la asignatura. 
Servidor propio conteniendo la Plataforma de la asignatura. 
Proyector para las exposiciones teóricas 
 
 
http://spmt.gdc.tat.upm.es/
http://www.gdc.tat.upm.es/PresentacionSPMT/SPMT-1.htm
http://spmt.gdc.tat.upm.es/
 
 
 
 
 
 
 
13 
9. Cronograma de trabajo de la asignatura 
Semana Actividades en Aula HP 
Teórica 
Actividades en Aula HP 
Prácticas en parejas 
Trabajo 
Individual 
Trabajo en 
Grupo 
Actividades de 
Evaluación 
Otros 
Semana 1 
( 8 horas) 
Presentación y organización 
de la asignatura. Introducción 
a la simulación de propiedades 
de la materia. Bibliografía (1 h) 
 
Aperturas de cuentas en el portal 
web SPMT. Interfaz de usuario. 
Familiarización con los 
contenidos de la plataforma: 
Contenidos Docentes, Guiones 
de Prácticas, Programas, Foro, 
Agenda, etc. (2h) 
( 5 horas) 
Semana 2 
( 8 horas) 
Tema 1: Partícula libre. 
Dualismo Onda-Partícula 
(0,75h) 
Aprendizaje manejo programa de 
simulación: QM Paquete de 
Ondas. 
Resolución de la Práctica 1 
(1.75h) 
( 5 horas) Evaluación on-line 
habilitada en el 
portal, para la 
práctica 1 resuelta. 
(0.5 h) 
 
Semana 3 
(8 horas) 
Tema 2: Transmisión y 
Reflexión en Pozos y Barreras 
de Potencial (0,75 h) 
Resolución de la Práctica 2. 
Uso del programa de simulación 
QM Paquete de Ondas. 
 (1.5h) 
( 5 horas) Resolución 
evaluación 
practica anterior 
(0,25 h) 
Evaluación on-line 
habilitada en el 
portal, para la 
práctica 2 resuelta. 
(0.5 h) 
 
Semana 4 
( 8 horas) 
Tema 3: Sistemas de Pozos de 
Potencial. Efecto Túnel. 
(0,75 h) 
Resolución de la Práctica 3. 
Uso del programa de simulación 
Ecuación de Schroedinger. 
 (1.5h) 
( 5 horas) Resolución 
evaluación 
practica anterior 
(0,25 h) 
Evaluación on-line 
habilitada en el portal 
para la práctica 3 
resuelta. (0.5 h) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
14 
Semana 5 
( 8 horas) 
Tema 4: El Oscilador Armónico 
en Mecánica Cuántica. 
 (0,75h) 
Resolución de la Práctica 4. 
Manejo del programa de 
simulación Oscilador Armónico 
 (1.5h) 
( 5 horas) Resolución 
evaluación practica 
anterior (0,25 h) 
Evaluación on-line 
habilitada en el 
portal, para la 
práctica 4 resuelta. 
(0.5 h) 
 
Semana 6 
( 8 horas) 
Tema 5: El Átomo de 
Hidrógeno. 
 (0,75h) 
Resolución de la Práctica 5. 
Manejo del programa de 
simulación Átomo de Hidrógeno. 
 (1.5h) 
( 5 horas) Resolución 
evaluación practica 
anterior (0,25 h) 
Evaluación on-line 
habilitada en el 
portal, parala 
práctica 5 resuelta. 
(0.5 h) 
 
Semana 7 
( 8 horas) 
Tema 6: Formación de 
Moléculas Agregados y Sólidos. 
 (0,75h) 
Resolución de la Práctica 6. 
Manejo del programa de 
simulación Moléculas y 
Sólidos(LCAO) 
(1.5h) 
( 5 horas) Resolución 
evaluación practica 
anterior (0,25 h) 
Evaluación on-line 
habilitada en el 
portal, para la 
práctica 6 resuelta. 
(0.5 h) 
 
Semana 8 
( 8 horas) 
Tema 7: Bandas de Energía en 
los Sólidos. 
 (0,75h) 
Resolución de la Práctica 7. 
Manejo del programa de 
simulación Solid State Physics 
(SSP). (1.5h) 
( 5 horas) Resolución 
evaluación practica 
anterior (0,25 h) 
Evaluación on-line 
habilitada en el 
portal, para la 
práctica 7 resuelta. 
(0.5 h) 
 
Semana 9 
( 8 horas) 
Tema 8: Diagramas de Bandas 
para distintos materiales. 
 (0,75h) 
 
Resolución de la Práctica 8. 
Uso del programa de simulación 
Solid State Physics (SSP). . 
 (1.5h) 
( 5 horas) Resolución 
evaluación practica 
anterior (0,25 h) 
Evaluación on-line 
habilitada en el 
portal, para la 
práctica 8 resuelta. 
(0.5 h) 
 
Semana 10 
( 8 horas 
Tema 9: Dinámica de Redes. 
 (0,75h) 
 
Resolución de la Práctica 9. 
Uso del programa de simulación 
Phonons Dispersion(Phonons) 
 (1.5h) 
( 5 horas) Resolución 
evaluación practica 
anterior (0,25 h) 
Evaluación on-line 
habilitada en el 
portal, para la 
práctica 9 resuelta. 
(0.5 h) 
 
 
 
 
 
 
 
 
15 
Semana 11 
( 8 horas) 
Tema 10: Modelos de Calor 
Específicos en los Sólidos. 
 (0,75h) 
 
Resolución de la Práctica 10. 
Uso del programa de simulación 
Lattice Specific Heat of Solids 
(spheat). (1.5h) 
( 5 horas) Resolución 
evaluación 
practica anterior 
(0,25 h) 
Evaluación on-line 
habilitada en el 
portal, para la 
práctica10 resuelta. 
(0.5 h) 
 
Semana 12 
( 8 horas) 
Tema 11: Características de los 
Materiales Magnéticos 
 (0,75h) 
 
Resolución de la Práctica 11. 
Manejo del programa de 
simulación Ferromagnetismo 
(Ising). 
 (1.5h) 
( 5 horas) Resolución 
evaluación 
practica anterior 
(0,25 h) 
Evaluación on-line 
habilitada en el 
portal, para la 
práctica 11 resuelta. 
(0.5 h) 
 
Semana 13 
( 8 horas) 
Tema 12: Materiales 
Ferromagnéticos. 
 (0,75h) 
 
Resolución de la Práctica 12. 
Uso del programa de simulación 
Ferromagnetismo (Ising). 
 (1.5h) 
( 5 horas) Resolución 
evaluación 
practica anterior 
(0,25 h) 
Evaluación on-line 
habilitada en el 
portal, para la 
práctica 12 resuelta. 
(0.5 h) 
 
Semana 13 
( 14 horas) 
 Ejercitación y repaso de los 
programas de prácticas 
(3 horas) 
10 horas 
Semana 15 
( 3 horas) 
 Práctica para evaluación final 
individual. 
 Evaluación final 
individual on-line 
teórico-práctica 
(3 horas ) 
 
Observaciones: 
1: Para cada actividad se especifica la dedicación en horas que implica para el alumno. Se estiman 27 horas de dedicación del alumno por ECTS. 
2: Las semanas reseñadas lo son de docencia efectivas ( no las del calendario) 
 
 
 
 
 
 
 
 
16 
 
	1. Datos Descriptivos
	2. Profesorado
	3. Conocimientos previos requeridos para poder seguir con normalidad la asignatura
	4. Objetivos de Aprendizaje
	5. Sistema de evaluación de la asignatura
	6. Contenidos y Actividades de Aprendizaje
	6. Formación de Moléculas, Agregados y Sólidos 
	7. Breve descripción de las modalidades organizativas utilizadas y de los métodos de enseñanza empleados
	CLASES TEÓRICAS
	PRÁCTICAS
	TRABAJOS AUTÓNOMOS
	TRABAJOS EN GRUPO
	TUTORÍAS 
	8. Recursos didácticos
	9. Cronograma de trabajo de la asignatura