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Introducción a las ondas

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Documento introductorio al tema de ondas. Incluye características, clasificación y ejemplos

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Introducción a las ondas

  1. 1. Ondas Prof. Elba M. Sepúlveda Física 2005 Stop
  2. 2. Las ondas y la energía <ul><li>Onda </li></ul><ul><ul><li>Perturbación periodica que viaja por un campo o medio . </li></ul></ul><ul><ul><li>Las ondas pueden llevar energía sin transferir materia . </li></ul></ul><ul><li>Pulso </li></ul><ul><ul><li>Perturbación única </li></ul></ul>
  3. 3. 1 - Clasificación <ul><li>Por el medio por el que viajan: </li></ul><ul><li>Medio </li></ul><ul><ul><li>Material a través del que la energía de una onda se transfiere </li></ul></ul><ul><li>Requieren un medio </li></ul><ul><li>Ondas mecánicas </li></ul><ul><li>No requieren un medio </li></ul><ul><li>Ondas Electromagnéticas </li></ul>
  4. 4. 2 - Clasificación <ul><li>Ondas mecánicas </li></ul><ul><li>Por la forma en que desplazan la materia y transportan la energía: </li></ul><ul><li>Onda Transversal </li></ul><ul><li>Onda Longitudinal </li></ul><ul><li>Onda de S uperficie </li></ul>
  5. 5. Longitudinal <ul><li>Onda mecánica donde las partículas vibran paralelamente a la dirección de la onda </li></ul><ul><li>Ejemplo: el sonido </li></ul>
  6. 6. Transversal <ul><li>Transversal </li></ul><ul><ul><li>Onda mecánica que vibra perpendicularmente a la dirección del movimiento de la onda </li></ul></ul><ul><ul><li>Ejemplo: resorte </li></ul></ul>
  7. 7. Onda de superficie: <ul><li>Tiene características de onda transversal y longitudinal . </li></ul><ul><li>Las partículas se mueven  y  a la dirección en que se desplazan </li></ul><ul><ul><li>Ejemplo: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Tirar una piedra en el agua </li></ul></ul></ul>
  8. 9. Ejemplos: <ul><li>Movimiento de un corcho en el mar </li></ul><ul><li>Olas en el mar </li></ul>
  9. 10. 3 - Clasificación <ul><li>Estas pueden ser </li></ul><ul><ul><li>Ondas planas </li></ul></ul><ul><ul><li>Ondas cilíndricas </li></ul></ul><ul><ul><li>Ondas circulares </li></ul></ul><ul><ul><li>Ondas esféricas </li></ul></ul>
  10. 11. Movimiento armónico simple <ul><li>Onda periodica generada por disturbios periodicos </li></ul><ul><li>La onda tiene un movimiento armónico simple forma una onda sinusoidal. </li></ul><ul><li>Las ondas armónicas tienen una sola frecuencia y longitud de onda. </li></ul>
  11. 12. Características de las ondas <ul><li>Largo de onda =  </li></ul><ul><ul><li>Es la distancia horizontal entre puntos correspondientes </li></ul></ul>
  12. 13. Características de las ondas <ul><li>Amplitud= A </li></ul><ul><ul><li>Desplazamiento máximo en relación con la posición de equilibrio </li></ul></ul><ul><li>La amplitud no afecta su largo de onda, su frecuencia o rapidez </li></ul>
  13. 14. Características de una onda <ul><li>Crestas= C </li></ul><ul><ul><li>Punto de máximo desplazamiento </li></ul></ul><ul><ul><li>eje positivo </li></ul></ul><ul><li>Valles= </li></ul><ul><ul><li>Punto de mínimo desplazamiento </li></ul></ul><ul><ul><li>Eje negativo </li></ul></ul>
  14. 15. Frecuencia y Periodo <ul><li>Frecuencia (f) Hertz </li></ul><ul><ul><li>Es el número de largos de onda que pasan por un punto en un segundo </li></ul></ul><ul><ul><li>(1/s) </li></ul></ul><ul><li>Periodo (  ) segundo </li></ul><ul><ul><li>Es el recíproco de la frecuencia </li></ul></ul><ul><ul><li>Unidad= segundos </li></ul></ul><ul><ul><li>(1/f) =  </li></ul></ul>
  15. 16. Velocidad de una onda <ul><li>Se calcula multiplicando la frecuencia (f) por el largo de onda (  ) </li></ul><ul><li>La rapidez de una onda depende de las propiedades del medio por el que se propaga. </li></ul><ul><li>Ecuación: </li></ul><ul><li>v = f  </li></ul>
  16. 17. Ejemplo #1 <ul><li>Una onda de radio tiene una frecuencia de 5 X 10 7 Hz. Su longitud es de 8m </li></ul><ul><li>¿Cuál es su rapidez? </li></ul><ul><li>¿Cuál es su periodo? </li></ul>
  17. 18. Solución #1 <ul><li>A) f= 5 X 10 7 Hz  = 8m </li></ul><ul><li>v=? </li></ul><ul><li>v= f  </li></ul><ul><li>v = (5 X 10 7 Hz)(8m) = 40 X 10 7 m/s </li></ul><ul><li>v= 4 X 10 8 Hz </li></ul><ul><li>B)  = 1/f </li></ul><ul><ul><li>1/(5 X 10 7 Hz) = 2 X 10 -8 seg </li></ul></ul>
  18. 19. Ejemplo #2 <ul><li>Las señales de radio AM tienen frecuencias de 550kHz hasta 1600 kHz y viajan a 3X10 8 m/s </li></ul><ul><ul><li>¿Cuál es el rango de largo de onda de esas señales? </li></ul></ul><ul><li>Las estaciones FM poseen frecuencias entre 88MHz y 108 MHz, viajan tambien a 3X10 8 m/s. </li></ul><ul><ul><li>¿Cuál es el rango de largo de onda para las estaciones FM? </li></ul></ul>
  19. 20. Solución #2 <ul><li>F= 550 kHz F=1600 kHz </li></ul><ul><li>v= 3X10 8 m/s V=f  -->  =v/f </li></ul><ul><li> = (3X10 8 m/s)/(550 X10 3 Hz) = 545.5m </li></ul><ul><li> = (3X10 8 m/s)/(1600 X10 3 Hz) = 187.5m </li></ul><ul><li>=190 a 550 metros </li></ul><ul><li>F= 88 MHz F=108 MHz </li></ul><ul><li>v= 3X10 8 m/s V=f  -->  =v/f </li></ul><ul><li> = (3X10 8 m/s)/(88 X10 6 Hz) = 3.4m </li></ul><ul><li> = (3X10 8 m/s)/(108 X10 6 Hz) = 2.78m </li></ul><ul><li>=2.8 a 3.4 metros </li></ul>
  20. 21. Comportamiento de las ondas <ul><li>Intensidad de onda </li></ul><ul><ul><li>Disminuye con el movimiento </li></ul></ul><ul><li>Cuando una onda viaja de un medio a otro, una parte se transmite y la otra se refleja. </li></ul><ul><ul><li>Depende de la rigidez </li></ul></ul><ul><ul><li>Depende de la densidad de los medios </li></ul></ul><ul><li>Cuando una onda se refleja al incidir sobre un medio más rígido, se invierte. </li></ul>
  21. 22. Comportamiento una onda en una frontera <ul><li>Cuando una onda llega al límite entre 2 medios, una parte se refleja y la otra se transmite. </li></ul><ul><li>Si los medios son muy diferentes, la onda se refleja casi toda. </li></ul><ul><li>Si los medios son iguales, la onda casi no se refleja. </li></ul>
  22. 23. <ul><li>Si el medio es fuerte o rígido, la onda se refleja pero invertida (ocurre cambio de fase) y se dice que está 180 o fuera de fase. </li></ul>Comportamiento una onda en una frontera cont . . .
  23. 24. <ul><li>Si el medio no es tan rígido, no ocurre cambio de fase en la onda. </li></ul><ul><li>Se refleja de la misma posición en que incide. </li></ul>Comportamiento de una onda en una frontera cont . . .
  24. 25. Ondas transmitidas <ul><li>Cuando una onda pasa a otro medio onda, su rapidez cambia. </li></ul><ul><li>Una onda que pasa de un medio a otro mantiene igual su frecuencia. </li></ul><ul><ul><li>Su largo de onda cambia </li></ul></ul>
  25. 26. Interferencia <ul><li>Interferencia </li></ul><ul><ul><li>Efecto de dos o más ondas que viajan por un medio </li></ul></ul><ul><li>Principio de superposición </li></ul><ul><ul><li>Afirma que el punto en que dos o más ondas se encuentran, sus desplazamientos se suman </li></ul></ul><ul><li>Interferencia constructiva </li></ul><ul><li>Interferencia destructiva </li></ul>
  26. 27. Interferencia constructiva <ul><li>Cuando dos o más pulsos se combinana para formar un pulso de mayor amplitud </li></ul>
  27. 28. Interferencia destructiva <ul><li>Cuando dos o más pulsos se combinana para formar un pulso de menor amplitud que los originales </li></ul>
  28. 29. Ondas estacionarias <ul><li>Es el resultado de dos ondas iguales que viajan en dirección opuesta </li></ul>
  29. 30. Ondas estacionarias <ul><li>Nodo </li></ul><ul><ul><li>Punto que permanece sin desplazarse </li></ul></ul><ul><li>Antinodo </li></ul><ul><ul><li>Donde el desplazamiento es mayor </li></ul></ul>
  30. 31. Resonancia <ul><li>Es una onda estacionaria </li></ul><ul><li>Aumento en la amplitud del movimiento de un sistema debido a la aplicación de una fuerza pequeña </li></ul><ul><li>Ejemplos: instrumentos musicales </li></ul>
  31. 32. Ley de Reflexión <ul><li>Afirma que el ángulo de con que una onda incide sobre una barrera es igual al ángulo con que se refleja. </li></ul><ul><li>Ángulo de reflexión = ángulo de incidencia </li></ul>
  32. 33. Reflexión difusa <ul><li>Reflexión difusa= donde un haz de luz se dispersa en muchas direcciones debido a que la superficie es áspera </li></ul>
  33. 34. Reflexión especular <ul><li>Reflexión especular= un haz de luz se refleja por una superficie plana y pulida. </li></ul><ul><li>Se obtienen rayos reflejados paralelos entre si y en la misma posición relativa </li></ul>
  34. 35. Refracción <ul><li>Es el cambio en la dirección de una onda al pasar de un medio a otro. </li></ul>
  35. 36. Ley de Snell <ul><li>La razón entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es constante </li></ul><ul><li>n = sen  i /sen  r </li></ul><ul><li>n 1 sen  1 = n 2 sen  2 </li></ul>
  36. 37. Tabla de índices de refracción
  37. 38. Ejemplo #3 Ley de Snell <ul><li>Un rayo de luz incide sobre un pedazo de cuarzo a un ángulo de 60º </li></ul><ul><li>¿Cuál será su ángulo de refracción? </li></ul><ul><li>Haz el dibujo usando un transportador </li></ul>
  38. 39. Solución #3 <ul><li>n 1 = 1.00 n 2 = 1.54 (usé el valor de la tabla en el libro de texto) </li></ul><ul><li> 1 =  i = 60º  2 =  r = ??? </li></ul><ul><li>n 1 sen  1 = n 2 sen  2 </li></ul><ul><li> 2 = sen -1 (n 1 sen  1 / n 2 ) </li></ul><ul><li> 2 = sen -1 (1.00 sen 60º/ 1.54 )= </li></ul><ul><li>=sen -1 (0.56)= 34.22º= 34º </li></ul>
  39. 40. Solución #3 normal Ángulo incidente Ángulo refractado aire cuarzo No está dibujado a escala
  40. 41. Ejemplo #4 <ul><li>Calcula el ángulo de refracción para un rayo de luz que incide a 45° y que se mueve a través de: </li></ul><ul><ul><li>A) agua </li></ul></ul><ul><ul><li>B) vidrio </li></ul></ul><ul><ul><li>C) diamante </li></ul></ul>
  41. 42. Solución #4 <ul><li>Calcula el ángulo de refracción </li></ul>
  42. 43. Indice de refracción <ul><li>Es la razón de la rapidez de la luz en el vacío y la rapidez de la luz en el medio. </li></ul><ul><li>El índice de refracción de cualquier sustancia es: </li></ul><ul><li>n s = c/v s </li></ul><ul><li>La rapidez de la luz es </li></ul><ul><li>3.00 X 10 8 m/s </li></ul>
  43. 44. Ejemplo #5 rapidez de la luz <ul><li>A) Calcula la rapidez de la luz en Etanol. Su índice de refracción es 1.36. </li></ul><ul><li>B) ¿Cuál será el índice de refracción del diamante cuando la luz puede viajar a 1.24 X10 8 m/s? </li></ul>
  44. 45. Solución #5 <ul><li>A) n etanol = 1.36 </li></ul><ul><li>c= 3X10 8 m/s </li></ul><ul><li>v etanol = ? </li></ul><ul><li>n=c/v v=c/n </li></ul><ul><li>v=(3X10 8 m/s)/1.36 </li></ul><ul><li>2.21X10 8 m/s </li></ul><ul><li>B) v= 1.24 X10 8 m/s </li></ul><ul><li>c=3 X 10 8 m/s </li></ul><ul><li>n= c/v </li></ul><ul><li>=(3 X 10 8 m/s)/1.24 X10 8 m/s </li></ul><ul><li>2.419 </li></ul><ul><li>2.42 </li></ul>
  45. 46. Reflexión total interna <ul><li>Ángulo crítico= ángulo en el que ocurre reflexión total interna. </li></ul><ul><li>El ángulo de incidencia muy grande (90°) </li></ul><ul><li>El rayo refractado desaparece </li></ul>
  46. 47. Reflexión interna total <ul><li>Ejemplo: </li></ul><ul><li>Fibra óptica </li></ul>
  47. 48. Ej. #6 Reflexión interna total <ul><li>A) Un rayo de luz incide sobre una pecera a un ángulo de 90°. Determina el ángulo cuando la luz pasa por el agua </li></ul><ul><li>B) Determina el ángulo crítico del diamante </li></ul>
  48. 49. Solución #6 <ul><li>A) n 1 sen  1 = n 2 sen  2 </li></ul><ul><li> 1 = sen -1 (n 2 sen  2 / n 1 ) </li></ul><ul><li> 2 = sen -1 (1.00 sen 90 º/ 1. 33 )= </li></ul><ul><li>=sen -1 (0. 750 )= 4 8 . 6 º= 49 º </li></ul><ul><li>B) n 1 sen  1 = n 2 sen  2 </li></ul><ul><li> 1 = sen -1 (n 2 sen  2 / n 1 ) </li></ul><ul><li> 2 = sen -1 (1.00 sen 90 º/ 2.42 )= </li></ul><ul><li>=sen -1 (0. 4132 )= 2 4. 4 º= 24 º </li></ul>
  49. 50. Difracción <ul><li>Es el doblamiento de una onda alrededor de un objeto colocado a su paso produciendo ondas circulares. </li></ul>
  50. 51. Interferencia <ul><li>Cuando dos ondas circulares idénticas interfieren, se forman unas líneas de puntos estacionarios llamadas líneas nodales. </li></ul>
  51. 52. Dispersión de la luz <ul><li>La luz blanca se dispersa en bandas de colores cuando pasa por un prisma </li></ul><ul><li>La luz roja tiene un largo de onda mayor y una rapidez mayor. </li></ul><ul><li>La luz violeta tiene el largo de onda más pequeño y su rapidez es menor. </li></ul><ul><li>Espectro visible= despliegue de colores cuando un haz de luz se desvía </li></ul>
  52. 53. Un arcoiris <ul><li>Muestra los componentes de la luz blanca </li></ul><ul><li>La luz blanca está compuesta por una mezcla de ondas de diferente frecuencia o color. </li></ul>
  53. 54. Arcoiris                                
  54. 55. Atmósfera terrestre
  55. 56. Problemas asignados Cáp 15 <ul><li>Problemas 1 al 12 </li></ul><ul><li>impares </li></ul><ul><li>Pág 255-260 </li></ul><ul><li>Problemas A </li></ul><ul><ul><li>1 al 3 </li></ul></ul><ul><ul><li>Pág. 268 </li></ul></ul><ul><li>Problemas B </li></ul><ul><ul><li>1 al 2 </li></ul></ul><ul><ul><li>Pág. 269 </li></ul></ul>
  56. 57. Problemas asignados Cáp 18 <ul><li>Problemas 1 al 9 </li></ul><ul><li>impares </li></ul><ul><li>Pág 306-308 </li></ul><ul><li>Problemas A </li></ul><ul><ul><li>1 al 6 </li></ul></ul><ul><ul><li>Pág. 314-315 </li></ul></ul><ul><li>Problemas B </li></ul><ul><ul><li>1 al 2 </li></ul></ul><ul><ul><li>Pág. 315 </li></ul></ul>
  57. 58. Interferencia <ul><li>La interferencia puede ser constructiva o destructiva. </li></ul>
  58. 59. Sobretonos <ul><li>La frecuencia más baja que produce un instrumento se le llama: frecuencia fundamental. </li></ul><ul><li>Las frecuencias mayores se llaman sobretonos </li></ul><ul><li>Un tubo abierto suena cuando su longitud es un múltiplo del largo de onda  /2, 2  /2, 3  /2, 4  /2… </li></ul>
  59. 60. <ul><li>Ejemplo de interferencia: </li></ul>
  60. 61. Armónicas <ul><li>Ondas armónicas generadas en una cuerda vibrante </li></ul>

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