Fenómenos ondulatorios

La enseñanza de las Ciencias Naturales y en particular de la física, es necesaria para una mayor y mejor comprensión de los adelantos tecnológicos. El propósito de este curso es el de estudiar y desarrollar aplicaciones prácticas a partir de los fenómenos luminosos y conceptos de acústica, permitiendo al estudiante desarrollar su capacidad de análisis y acrecentar el espíritu de reflexión e investigación.

3. OBJETIVOS

Reconocer que las altas tecnologías de los láseres, los Semiconductores, los Superconductores y la Ingeniería Genética, son las responsables de la tecnología actual que rodea a la sociedad en el mundo globalizado. En los últimos años, la Ingeniería Digital, Diseño y Arte Tridimensional es un resultado de estas tecnologías.

3.1. Objetivo general

Comprender, analizar y explicar los diferentes fenómenos de las ondas, en particular de la luz, y sus aplicaciones en la tecnología actual. Desarrollar la capacidad de expresar discursos orales y/o escritos sobre la utilidad de la óptica y la acústica en el campo de la ingeniería en Multimedia.

Estudiar, simular y desarrollar aplicaciones prácticas a partir de los fenómenos luminosos y conceptos de acústica. Lo anterior se logra con el laboratorio, permitiendo al estudiante desarrollar su capacidad de análisis y acrecentar el espíritu de reflexión e investigación.

3.2. Objetivos específicos

Familiarizar al estudiante con los fenómenos luminosos y con la importancia que han tenido en el desarrollo de la Física.

Analizar y comprender las propiedades del sonido.

• Desarrollar la capacidad de expresar discursos orales y/o escritos sobre las aplicaciones de los instrumentos ópticos, la interferometría óptica y la acústica en el campo de la ingeniería en Multimedia.

• Desarrollar la capacidad de expresar como es el trazado de rayos dentro de instrumentos ópticos, utilizando las leyes generales de la reflexión y la refracción.

• Desarrollar la capacidad de expresar como se da la superposición de ondas para obtener los diferentes procesos de la interferometría óptica.

• Estudiar el comportamiento del sonido y como es su aplicación en el área de la acústica.

Competencias a desarrollar

Cognitivas:

• Interpretativa: comprensión de la información teórica pertinente para la resolución de problemas relacionados con el área.

• Argumentativa: Explicación de determinados procedimentos y teorías.

• Propositiva: Proponer soluciones a los problemas mediante hipótesis o la elaboración de un equipamiento.

4.2. Comunicativas:

• Textual: producir texto escrito con sentido, coherencia y explicación teórica sobre fenómenos relacionados con el área.

• Oral: presentar discurso fluido y correcto de acuerdo al contexto.

4.3. Investigativas:

• Iniciar al estudiante en los procesos de Investigación.

• Investigación Formativa: El método científico.

4.4. Laborales: No aplica. Es una asignatura básica formativa.

Unidades modulares

5.1. Movimiento Oscilatorio.

Oscilador armónico simple. Movimiento armónico simple. Energía de un OAS. Oscilaciones amortiguadas. Oscilaciones forzadas. Resonancia.

Prácticas de Laboratorio: Péndulo simple. Oscilador armónico simple.

5.2. Movimiento Ondulatorio.

Onda. Clasificación de las ondas. Propiedades de las ondas. Ecuación de onda. Ecuación de onda viajera. Ondas mecánicas. Ondas electromagnéticas. Espectro electromagnético. Modelos de la luz. Velocidad de la luz. Índice de refracción. Reflexión y refracción. Reflexión total interna. Principio de Huygens. Dispersión. Absorción. Color. Energía. Potencia. Intensidad. Nivel de intensidad. Efecto Doppler.

Prácticas de Laboratorio: Fenomenologìa del Movimiento Ondulatorio. Cubeta de ondas. Modelos de la Luz: modelo ondulatorio.

5.3. Tópicos Estructura Atómica.

Modelos del átomo: Thompson, Rutherford. Postulados de Bohr. Modelo atómico de Bohr. Espectros atómicos.

Prácticas de Laboratorio: Espectroscopìa. Espectros átomo de Hidrógeno. Modelo de Bohr átomo de Hidrógeno.

5.4. Óptica Geométrica.

Reflexión en superficie esférica., foco y distancia focal. Método gráfico rayo paralelo. Refracción en superficie esférica, foco y distancia focal. Lente gruesa. Lente delgada. Lente convergente y divergente. Formación de imagen. Método rayo paralelo. Sistemas de lentes. Elementos ópticos: lupa, ojo, telescopio, microscopio óptico y electrónico.

Prácticas de Laboratorio: Reflexión en una Superficie Plana, Reflexión en una superficie Esférica, Foco y Distancia Focal, Método Gráfico rayos paralelos, Refracción en una Superficie Plana, Prismas. Refracción en una Superficie Esférica, Lente gruesa, Lente delgada, La lupa, Lentes convergentes y divergentes, Formación de imágenes. Sistemas de lentes, Aberraciones de las Lentes. El ojo – Defectos de la visión, La cámara fotográfica, El Proyector, El microscopio compuesto, Telescopios.

5.5. Óptica Física.

Superposición de ondas de la misma frecuencia: método algebraico y vectorial. Ondas estacionarias: Sistema fijo fijo, sistema fijo abierto. Superposición de ondas de diferente frecuencia: Pulsos y paquetes de ondas, velocidades de fase y de grupo. Experimento de Young. Patrones de interferencia. Difracción de Fraunhoffer y de Fresnell. Principio de Babinet. Difracción por abertura circular. Criterio de Rayleigh. Rejilla de Difracción. Resolución de instrumentos. Polarización. Luz incoherente. Luz coherente. Laser. Holografía. Fotometría. Colorimetría.

Prácticas de Laboratorio: Superposición de ondas de la misma frecuencia. Ondas estacionarias. Interferencia, Experimento de Young. Difracción de Fraunhoffer y de Fresnell, Difracción por abertura circular, criterio de Rayleigh. Polarización. Làser. Holografía.

5.6. Acústica.

Ondas sonoras. Ondas subsónicas, ultrasónicas. Aplicaciones ultrasonidos.

Prácticas de Laboratorio: El sonido.

Metodología

Clases magistrales: El curso contará con exposiciones magistrales del profesor, el cual explicará los temas básicos a tratar.

Cuices y Talleres: Los talleres sobre los temas presentados, serán desarrollados por los estudiantes bajo la supervisión del profesor. En las horas de trabajo individual, los estudiantes desarrollarán las guías de estudio y sobre el contenido de ellas se realizarán los cuices.

Parte Práctica:

Laboratorios: Explicación Teórica sobre fenómenos físicos y manejo de equipamiento. La comprobación experimental se dará en el trabajo de laboratorio.

Evaluación

La evaluación de la asignatura se consolida sumando el resultado de la parte teórica con la parte práctica en la proporción teoría 70% y práctica 30% para un total 100%. La distribución en cada campo es la siguiente:

NOMBRE:______________________________ CURSO:___________

OBJETIVOS

• Conocer los diferentes tipos de fenómenos ondulatorios.

• Entender y explicar cualitativamente fenómenos característicos de las ondas como la reflexión, refracción, interferencia, polarización y el principio de HUYGENS.

COMPETENCIAS

• Comprende los fenómenos ondulatorios que se presentan en la naturaleza y con base a los conocimientos explica y resuelve problemas técnicos y cotidianos relacionados con estos fenómenos.

Contenido

• I. INTRODUCCIÓN

En la vida cotidiana es fácil observar diversos fenómenos ondulatorios como el caso especial del eco, los eclipses, transmisión de información satelital, la formación del arco iris, la interferencia y difracción en los discos compactos.

• II. FENÓMENOS ONDULATORIOS

• A) REFLEXIÓN

Se entiende por reflexión el cambio en la dirección de la propagación que experimenta una onda al encontrarse con un obstáculo adecuado a su naturaleza y tamaño mucho mayor a su longitud de onda.

Cabe resaltar que la reflexión NO es un fenómeno exclusivo de las ondas puesto que las partículas (materia) también lo presentan como es evidente en el juego de billar.

EJEMPLOS

En la naturaleza podemos observar este fenómeno fácilmente.

• 1. Cuando un rayo de luz incide en un espejo, la luz es reflejada, es decir, existe un cambio de la dirección del rayo de luz.

• 2. Las ondas producidas en un estanque, las propagaciones llegan al borde del estanque y regresan, es decir, hay un cambio de dirección de la propagación.

• 3. Los sonidos cuando chocan contra las montañas, edificios, salas y otros obstáculos, cambian su dirección de propagación.

• 4. En una cuerda se presenta un hecho interesante en la reflexión de las ondas:

• a)  Si se toma una cuerda, que esta fija en la pared, al sacudirla por el extremo libre, el pulso viaja hasta el extremo fijo y regresa hacia la mano. El pulso reflejado se invierte, hecho que se explica por la "Tercera Ley de Newton: Cuando el pulso llega a la pared, la cuerda ejerce una fuerza hacia arriba sobre esta, por lo tanto, la pared ejerce una fuerza de reacción igual y opuesta (hacia abajo) sobre la cuerda". esta fuerza hace que el pulso se invierta.

• b)  Si el extremo es libre para moverse el pulso no se invierte.

• B) REFRACCIÓN

Es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio a otro, es decir, deben de tener índice de refracción diferente (densidades ópticas).

Un caso especial de refracción se produce cuando la luz atraviesa capas de aire con distintas temperaturas (el aire frio y aire caliente tienen índices de refracción diferentes) se comportan como medios de densidad óptica diferente.

Cabe resaltar que en la refracción, cuando la onda pasa de un medio a otro, el único parámetro que permanece constante es la frecuencia, existe una evidente variación en la velocidad de onda y su longitud de onda.

• C)  DIFRACCIÓN

Fenómeno que consiste en las ondas tratar de bordear un obstáculo o cuando una onda se encuentra con una abertura o rendija de dimensiones comparables a su longitud de onda. En todos los casos, existe un bloqueo del frente de ondas.

EJEMPLOS DE DIFRACCIÓN

• 1. Bordeando un obstáculo:

El sonido cuando se encuentra con una barrera, en este caso, un muro alto, la onda sonora mediante la difracción bordea y sobrepasa el muro.

• 2. Difracción por orifico o abertura

Cuando una onda se encuentra en su camino, una rendija al pasar la onda, rodea ambos obstáculos dispersándose visiblemente. La difracción se produce exclusivamente de las ondas

• D) POLARIZACIÓN

Fenómeno ondulatorio exclusivo de las ondas transversales, que consiste en reducir todos los planos de vibración de la onda a uno solo.

Además, este fenómeno permite identificar si una onda es transversal o longitudinal, debido a que las ondas longitudinales no presentan este fenómeno.

• E)  INTERFERENCIA

Cuando en una región del espacio se encuentran dos o más ondas, el desplazamiento resaltante en cualquier punto y tiempo es la suma algebraica de de los desplazamientos de cada onda en las siguientes graficas se ilustran los diferentes tipos de interferencias :

• 1. CONSTRUCTIVA: Si la amplitud de la onda resultante es mayor.

• 2. DESTRUCTIVA: Cuando la amplitud resultante es menor.

Ahora la figura ilustra la interferencia de ondas producidas por dos fuentes que tocan superficialmente el agua.

• F)  PRINCIPIO DE HUYGENS

Cuando un frente de onda se encuentra en su camino un orificio, al pasar la onda por él, cada punto del frente de ondas puede considerarse una frente puntual generadora de ondas en la misma dirección de propagación.

Figura 3: La abertura se comporta como una nueva fuente generadora de ondas.

Preguntas y problemas para la evaluación

• A) Escribir V o F según las afirmaciones sean verdaderas o falsas; en caso de ser falsas explicar por qué.

• 1. ( ) Una onda cuando cambia de medio de propagación se

refracta ya que la frecuencia no varía.

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• 2. ( ) Cuando se pueden reducir los planos de vibración a uno

solo, las ondas transversales se pueden polarizar.

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• 3. ( ) Cuando las ondas chocan contra un obstáculo se reflejan

Debido a que la dirección de propagación cambia.

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• 4. ( ) Las ondas electromagnéticas no se pueden polarizar; por lo

tanto son longitudinales.

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• 5. ( ) El sonido es una onda mecánica, por lo tanto se puede

polarizar

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• 6. ( ) Las ondas que se producen superficialmente en el agua son

Transversales.

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• 7. ( ) El sonido en una casa de muchos cuartos se puede escuchar

por difracción.

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• 8. ( ) La interferencia destructiva se produce cuando se encuentran

Crestas con crestas.

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• B) ¿Por qué las ondas longitudinales no se pueden polarizar?

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• C) Explique con sus propias palabras el concepto de "DENSIDAD ÓPTICA"

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• D) Averigüe en qué consiste el eco.

• E) El fenómeno ondulatorio que permite distinguir si una onda es longitudinal o transversal es:

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• F) Cuando las ondas se encuentran unas con otras la forma resultante está determinada por

• a. La reflexión

• b. La refracción

• c. La difracción

• d. La interferencia.

• G) La refracción consiste

• a. a la interferencia destructiva

• b. se refiere al "curvado" de la onda al pasar de un medio a otro.

• c. Es sinónimo de difracción.

• d. Solo ocurre en las ondas mecánicas.

• H) ¿Qué se destruye cuando ocurre una interferencia destructiva?

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• I) Cuando las ondas se encuentran un obstáculo en su propagación se produce:

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• J) Cuando las ondas se encuentran una abertura estrecha o una esquina se produce:

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• K) La magnitud que nos mide el numero de ondas que pasa por un punto cada segundo se llama:

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• L) Cuando hacemos oscilar el extremo de una cuerda tensa, a lo largo se propagan:

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• M) Cuando las ondas cambian de medio y se manifiestan por un cambio de velocidad se produce:

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• N) La magnitud que nos mide la distancia entre dos puntos que están en igual fase se denomina:

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• O) En la refracción el parámetro que se altera es:

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Preparación para las pruebas de estado

• 1. ¿A que llamamos ondas longitudinales?

• a. A las que tienen una longitud muy larga

• b. A aquellas en que la dirección de proporción
  y la de vibración son perpeindiculares.

• c. A aquellas en que la dirección de proporción
  y la de vibración son idénticas.

• d. A las que tienen una longitud de onda muy grande.

• 2. Un ejemplo de onda transversal y otro de onda longitudinal

• a. Longitudinal la luz y transversal la propagación de una sacudida por una cuerda tirante.

• b. Es transversal el sonido y longitudinal la luz

• c. Es transversal la vibración propagada en un resorte y longitudinal el sonido.

• d. Es longitudinal el sonido y transversal la luz

• 3. Un movimiento ondulatorio posee una frecuencia de 20 Hz y una longitud de onda de 3.5 m, así que su velocidad en m/s es:

• a. 7 m/s c. 700 m/s

• b. 70 m/s d. 750 m/s

• 4. La difracción consiste en que:

• a. Las ondas se fracciona en dos partes cuando se encuentran con un obstáculo.

• b. Las ondas siempre se propagan en línea recta.

• c. Al pasar de un medio a otro las ondas cambian de dirección.

• d. Las ondas se propagan en todas las direcciones al pasar por una abertura pequeña.

• 5. Se puede definir un movimiento ondulatorio como una forma de transportar partículas:

• a. Sí, las partículas se movieran con una trayectoria ondulatoria.

• b. Sí, aunque las partículas se quedaran atrasadas respecto a las ondas.

• c. Sí, aunque las partículas se desplazaran más rápido que la onda.

• d. No, las partículas pueden vibrar al paso de las ondas, pero después permanecen donde estaban.

• 6. Una onda de 2 m de longitud de onda, periodos de 1 segundo y amplitud de 0.5 m, interfiere en fase con otra idéntica a ella que se propaga en el mismo sentido, así que:

• a. Se produce una onda estacionaria.

• b. La onda resultante tiene amplitud de 1 m.

• c. El periodo de la onda resultante es 2 segundos.

• d. La onda resultante tiene una amplitud de 4 m.

• 7. El fenómeno del eco es:

• a. La reflexión del sonido en las montañas u otros obstáculos.

• b. La difracción del sonido entre los desfiladeros de la montaña.

• c. Una ilusión de nuestros sentidos.

• d. La refracción del sonido en la atmosfera.

Bibliografía e infografía

SEARS. ZEMANSKY. Física. Vol 1 y 2. 9a Ed. Pearson Educación. México. 1999.

Mc KELVEY, John P., Física para ciencias e Ingeniería, 2ª edición, Addison Wesley Iberoamericana, U.S.A., 1998.

SERWAY, Raymond A., Física, Tomo II, 4ª edición, Mc-Graw Hill, México, 1997

TIPLER, Paul, Física, Vol. II, 3ª edición, Reverté, Barcelona, 1992

GUIAS DE LABORATORIO: UMNG.cursos.

Enviado por:

Ing.+Lic. Yunior Andrés Castillo S.

"NO A LA CULTURA DEL SECRETO, SI A LA LIBERTAD DE INFORMACION"®

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Santiago de los Caballeros,

República Dominicana,

2015.

"DIOS, JUAN PABLO DUARTE Y JUAN BOSCH – POR SIEMPRE"®