ACTIVIDADES ADMINISTRATIVAS LAPSO I - 99
PRACTICA N 1
MOVIMIENTO ARMONICO SIMPLE
OBJETIVOS
Determinar el periodo y su relacin con la longitud, masa y ngulo de oscilacin
Comprobar el valor de la aceleracin de la gravedad a partir de los valores utilizados al calcular el Periodo de un pndulo simple.
Bases Tericas:
Es muy comn observar movimientos oscilatorios en varias situaciones de la vida diaria. Una cantidad muy variada de objetos cotidianos tienen este patrn de movimiento, ejemplos: relojes de pndulo, cuerdas de guitarra, el movimiento de un trampoln ante el salto del clavadista, etc.. Sin embargo, lo ms sorprendente de este movimiento es que a pesar de ser causado por fuerzas de naturaleza diferente (mecnicas, electromagnticas, etc.), todas tienen la misma descripcin matemtica. Todos los movimientos oscilatorios son descritos en funcin de las relaciones trigonomtricas senoidales (seno y coseno).
Uno de los movimientos analizados en fsica es el movimiento OSCILATORIO.
Una partcula se mueve con un Movimiento oscilatorio cuando efecta movimientos peridicos con respecto a su posicin de equilibrio.
Cuando una partcula se mueve a lo largo del eje X, se dice que lo hace con un Movimiento Armnico Simple, cuando su desplazamiento desde el punto de equilibrio varia en el tiempo de acuerdo con la siguiente relacin:
X = A cos ( t + )
donde: A = Es la amplitud del Movimiento, es decir, el desplazamiento mximo de la
Partcula en la direccin del eje X, ya sea positivo o negativo.
= Es la frecuencia angular y viene dada por la expresin = 2 f
( rad/seg)
= Es la constante de fase y est determinada solo por el desplazamiento
y la Velocidad inicial de la partcula . ( rad)
Caractersticas que definen el Movimiento Armnico
Es peridico ya que se realiza en intervalos iguales de tiempo
Es oscilatorio porque se repite siguiendo siempre la misma trayectoria.
Para describir el Movimiento Armnico Simple es indispensable conocer las siguientes definiciones:
Ciclo: Es la unidad ms pequea de movimiento que se repite. Es el recorrido completo del vaivn de una oscilacin.
Perodo: Es el tiempo que tarda en hacer un ciclo completo, cuya ecuacin viene dada por la siguiente ecuacin
T = 2 L/ g . Su unidad es el segundo [seg ]
Amplitud: Es el desplazamiento mximo de la partcula en la direccin del eje X, ya sea positivo o negativo.
Frecuencia: Nmero de oscilaciones que efecta por unidad de tiempo.
f = 1 / T . Su unidad es el seg -1 o Hertz [Hz]
Elongacin: es la desviacin X respecto de la posicin de equilibrio (X=0)
Pndulo Simple
El pndulo simple es un ente matemtico sin representacin fsica posible. No obstante, una aproximacin aceptable consiste en una masa suspendida de un hilo inextensible y sin peso. Cuando la masa se deja en libertad desde cierto ngulo inicial con la vertical, comienza a oscilar a un lado y otro peridicamente. Cuando el ngulo de desviacin mximo respecto de la vertical es pequeo (en la prctica menor que 10) el pndulo oscila con movimiento armnico simple alrededor del punto de equilibrio. En esta situacin el periodo resulta ser independiente del ngulo inicial, es decir, el ngulo donde se libera el pndulo, y depende nicamente de la longitud del pndulo y de la aceleracin de la gravedad. Debido a la relacin entre el periodo T y la aceleracin de la gravedad g , el pndulo simple es un dispositivo preciso y adecuado para medir la aceleracin de la gravedad, puesto que la longitud y el periodo pueden medirse fcilmente.
PRE-LABORATORIO
1. Investigue las ecuaciones cinemticas del Movimiento Armnico Simple para el Desplazamiento (elongacin) , Velocidad y aceleracin
2. Exprese la ecuacin de la elongacin de un M.A.S en funcin de
a. El periodo
b. La frecuencia
ACTIVIDAD 1.
Determinar el periodo del pndulo y su relacin con la MASA, permaneciendo constantes el ngulo de oscilacin y la longitud.
Esquema del montaje.
Procedimiento.
a) Fije la Longitud del pndulo con la ayuda de la cinta mtrica
b) Coloque la esfera, en cada caso evaluado que sean de diferentes masas
c) Desplace la esfera desde su posicin de equilibrio un mismo ngulo ( < 10 )y comience a contar 10 oscilaciones, para cada masa. (valor de n= 10 )
d) Llene la siguiente Tabla 1
VARIABLEPARAMETROS CONSTANTESVALORES EXPERIMENTALESDETERMINACION DEL PERIODO
Masa
m
(g)Longitud del pndulo
(cm)Angulo de lanzamiento de la masa
< 10Tiempo en 10 oscilaciones
t (s)Tiempo
promedio
(tp)Perodo Medido
T (s)= tp/nPeriodo Calculado
T = 2 L/ g
g= 980 cm/seg2
1. Explique cmo influye la masa, en la determinacin del periodo del pndulo
2. Segn los datos obtenidos, determine la relacin existente entre la masa del pndulo y el periodo, e indique si son independientes o dependientes.
3. Seale sus conclusiones, del resultado de la experiencia anterior.
ACTIVIDAD 2.
Determinar el periodo del pndulo y su relacin con la LONGITUD , permaneciendo constantes el ngulo de oscilacin y la masa.
Procedimiento.
a) Coloque variable la Longitud del pndulo con la ayuda de la cinta mtrica
b) Mantenga constante la masa de la esfera y desplcela desde su posicin de equilibrio un mismo ngulo ( < 10 )y comience a contar 10 oscilaciones, (valor de n= 10 )
c) Llene la siguiente Tabla 2
En el desarrollo de la prctica se debe medir el tiempo t en que el pndulo realiza n = 10 oscilaciones completas, para la longitud L sealada en cada caso. El valor del periodo T para cada longitud se calcula a partir de este tiempo y se representa grficamente el cuadrado de los periodos como funcin de la longitud del hilo y mediante el mtodo de los mnimos cuadrados se obtiene la pendiente de la recta. A partir de la pendiente se calcula el valor de la aceleracin de la gravedad. sta debe expresarse correctamente con su error
TABLA 2
VARIABLEPARAMETROS CONSTANTESVALORES EXPERIMENTALESDETERMINACION DEL PERIODO
Longitud del pndulo
(cm)Masa
m
(g)Angulo de lanzamiento de la masa
< 10Tiempo en 10 oscilaciones
t (s)Tiempo
promedio
(tp)Perodo Medido
T (s)= tp/nPeriodo Calculado
T = 2 L/ g
g= 980 cm/seg2
1. Cmo influye la longitud, en la determinacin del periodo del pndulo
2. Grafique T2 vs L en papel milimetrado y rectifique en el papel correspondiente.
3. A partir de la grafica, deduzca la relacin que existe entre el periodo de un pndulo y su longitud
4. Seale sus conclusiones, del resultado de la experiencia anterior.
ACTIVIDAD 3.
Determinar el periodo del pndulo y su relacin con el ngulo de oscilacin , permaneciendo constantes la longitud y la masa.
Procedimiento.
a) Coloque la Longitud del pndulo constante con la ayuda de la cinta mtrica
b) Mantenga constante la masa de la esfera y desplcela desde su posicin de equilibrio variando el ngulo ( < 10 )y comience a contar 10 oscilaciones, (valor de n= 10 )
c) Llene la siguiente Tabla 3
TABLA 3
VARIABLEPARAMETROS CONSTANTESVALORES EXPERIMENTALESDETERMINACION DEL PERIODO
Angulo de lanzamiento de la masa
< 10Masa
m
(g)Longitud del pndulo
(cm)Tiempo en 10 oscilaciones
t (s)Tiempo
promedio
(tp)Perodo Medido
T (s)= tp/nPeriodo Calculado
T = 2 L/ g
g= 980 cm/seg2
ACTIVIDAD 4.
Comprobar el valor de la aceleracin de la gravedad en funcin de los valores del periodo medido en cada una de las experiencias anteriores
ACTIVIDAD
REALIZADATiempo
promedio
(tp)Perodo Medido
T (s)= tp/10gravedad Calculada
g = 4 2 L/ T2
1
2
3
a) Compare el valor obtenido anteriormente con el valor aceptado de la
gravedad.
b) Calcule los errores respectivos, de los valores obtenidos.
c) En caso de haber discrepancias, indique las razones a las que se deben.
POST-LABORATORIO
1. Investigue las ecuaciones que rigen el Movimiento armnico Simple, para pndulo simple y para Sistema masa-resorte
2. Realice una tabla donde coloque los parmetros del MAS ( amplitud, periodo, frecuencia angular, ngulo de fase, elongacin) sealando la definicin, la nomenclatura utilizada, la frmula para calcular el parmetro y la unidad
3. Cmo vara el perodo del pndulo si se duplica su longitud? y si se duplica su masa?
4. Si un reloj de pndulo de la tierra se llevara a la luna, se adelantara o atrasara?
5. Un sistema oscila con una frecuencia de 10 Hz. con una amplitud de 10 cm.. Escriba una ecuacin en donde el desplazamiento " Y" est en funcin del tiempo para el caso cuando
a) Y(0)= 0 cm., b) Y(0) = 10 cm., c) Y(5) = 10 cm.
6. Cuando dos masas, cada una de 1000 gr., se suspenden de un resorte, ste se estira 20 cm. comparado con su longitud original sin estiramiento. Inicialmente, el sistema est en reposo. Cuando t = 0, una de las masas se separa del sistema y cae. Describe el movimiento de la masa que quedo suspendida en una ecuacin matemtica.
7. Una masa de 1 kg. esta sostenida mediante un resorte. El sistema se pone a vibrar a su frecuencia natural de 10 Hz. con una amplitud de 10 cm.. Encuentra la constante del resorte K y la velocidad mxima de la masa.
8. Un pndulo consiste de una esfera, de masa 5 kg. y una cuerda de longitud L. Cul sera el valor de L para que el periodo del pndulo sea de 25 segundos?
9. Una masa de 500gr se mueve en la direccin X bajo la influencia de un resorte con una constante K=2N/m. El origen del eje x est en el punto de equilibrio de la masa. En un tiempo t=0 la masa est en el origen movindose con una velocidad de .5m/s en la direccin +x. A que tiempo t 1 llega por primera vez a su mxima elongacin?, Cul es la mxima elongacin?
PRACTICA N 2
MOVIMIENTO ONDULATORIO
OBJETIVOS
Identificar la forma de un frente de ondas.
Determinar la velocidad de propagacin de un tren de ondas superficiales en el agua.
Verificar experimentalmente las leyes que rigen la reflexin de las ondas.
Verificar experimentalmente las leyes que rigen la refraccin de las ondas.
Comprobar experimentalmente el fenmeno de la difraccin.
Verificar experimentalmente el fenmeno de interferencia de ondas.
Teora relacionada:
La energa puede ser trasmitida de dos formas:
Mediante el movimiento de cuerpos materiales portadores de energa.
Sin necesidad de que el cuerpo que la posee se desplace.
La propagacin de la energa por medio de una perturbacin en un medio, en lugar del medio en s, recibe el nombre de Movimiento Ondulatorio. Por lo tanto, una onda es el movimiento de una perturbacin que se propaga transportando energa.
Las ondas mecnicas se propagan a travs de un medio material elstico, siendo ejemplo de ellas, las ondas en la superficie del agua, Las ondas electromagnticas no necesitan de un medio fsico para propagarse, las ondas de radio y las ondas luminosas son claros ejemplos de este tipo de onda.
Se sealan a continuacin algunos conceptos de importancia en el estudio del movimiento ondulatorio:
Pulso: llamado tambin onda simple o viajera es una perturbacin sbita e instantnea de las partculas del medio. Las partculas del medio permanecen en reposo hasta que llega la perturbacin y luego que sta pasa, vuelve a su estado de equilibrio.
Tren de ondas: perturbacin continua de las partculas del medio, es una sucesin de pulsos.
Ondas peridicas: sucesin de ondas similares que se caracteriza por la igualdad del intervalo de tiempo entre perturbacin y perturbacin.
Fase: puntos que se mueven en la misma direccin, con igual velocidad y tienen igual elongacin.
Frente de ondas: lugar geomtrico de los puntos del espacio que tienen la misma fase de oscilacin en un instante dado.
Rayos: lneas que indican la direccin de propagacin de cada frente de ondas; se dibujan perpendiculares a los frentes de onda.
CARACTERSTICAS FSICAS EN LA DESCRIPCIN DE UNA ONDA
Longitud de onda ():distancia mnima entre dos puntos cualesquiera sobre una onda que se comportan idnticamente.
= v T =v
f
Perodo T: Tiempo requerido para que se produzca una vibracin completa.
T =tiempo
Nmero de vibraciones
Velocidad de propagacin v: es la razn entre la distancia recorrida por una onda y el tiempo requerido para ello. Depende de la elasticidad del medio y de su rigidez.
v =Distancia=X
tiempoT
Frecuencia f : Nmero de vibraciones completas realizadas en un segundo.
f =Nmero de vibraciones=1
tiempoT
Elongacin Y: es la distancia entre la posicin de la partcula vibrante en cualquier instante y la posicin de equilibrio, es llamada tambin funcin de onda
Amplitud A: es la elongacin mxima de la onda.
Principio de Superposicin:
Si en cualquier instante existen dos o ms ondas simultneamente en un punto, el desplazamiento del punto es la suma de los desplazamientos que hubiera tenido el punto con cada onda por separado. La elongacin del punto es la suma de las elongaciones debidas a cada pulso.
Las ondas estacionarias son aquellas que presentan puntos que no vibran llamados nodos y otros que vibran con una amplitud mxima llamados antinodos o vientres.
Los puntos A, B, C y D de amplitud nula --------- NODOS
Los puntos E, F y G de amplitud mxima --------- ANTINODOS O VIENTRES
La distancia entre dos nodos adyacentes o consecutivos constituye la mitad de la longitud de onda estacionaria. AB = / 2
El Principio de Huygens seala que Todo frente de onda es un centro emisor o fuente puntual generadora de ondas en la direccin de propagacin de ellas.
Este Principio sirve para expresar fenmenos ondulatorios, tales como, la reflexin, la refraccin, la interferencia y la difraccin.
REFLEXIN DE ONDAS EN UN PLANO
Cuando una onda o tren de ondas inciden sobre una barrera, se reflejan en direccin opuesta con igual velocidad de propagacin. Este fenmeno se caracteriza por el ngulo de incidencia igual al ngulo de reflexin. Esquemticamente,
i = r
donde;
i = ngulo de incidencia
r = ngulo reflexin
LEY DE REFRACCION O LEY DE SNELL
Todo movimiento ondulatorio experimenta un cambio de velocidad al pasar de un medio a otro, esta variacin da origen a l fenmeno conocido como REFRACCION.
Cuando una onda incide en una superficie lmite entre dos medios, en los cuales la onda se propaga a velocidades diferentes, al entrar la onda se produce, en general, un cambio de direccin.
La relacin entre las velocidades de propagacin con los cambios de direccin fue estudiada por varios cientficos, entre ellos Snell (1621) dedujo
Sen i= constante
Sen r
isen i = r sen r
Donde:
i = ndice de refraccin del medio incidente.
r = ndice de refraccin del medio refringente.
Observando la grfica anterior, en donde se esquematiza el comportamiento de las ondas al pasar de un medio a otro, se obtienen las siguientes relaciones:
Sen I =iySen r =r
ABAB
Sen i= I / AB=i
Sen rr / ABr
Pero,
= vi / f y
r = vr / f entonces ,
Sen i= =vi= constante =
Sen rvr
DIFRACCIN
Cuando una onda se encuentra con un obstculo puede reflejarse o puede curvarse alrededor del obstculo, dependiendo de su longitud de onda y del tamao del obstculo. Este doblamiento de las ondas alrededor del obstculo es lo que se denomina DIFRACCIN.
INTERFERENCIA DE ONDAS.
Dependiendo de la fase de las ondas y de su amplitud, puede haber un aumento o una disminucin de la elongacin de un punto, este fenmeno recibe el nombre de interferencia, la cual puede ser constructiva o destructiva.
Considerando el Principio de Huygens, el Principio de Superposicin y los conceptos de rayo, fase, lneas nodales y antinodales; se puede determinar el valor de longitud de la onda de las ondas que interfieren. Para la determinacin de la longitud de onda en un diagrama de interferencia se utilizan las ecuaciones sealadas a continuacin:
=Xn . dyL=
L ( )L
Donde; = longitud de onda proyectada
Xn = distancia entre el punto P y la lnea central perpendicular a d.
d = distancia entre los dos focos emisores
L = distancia entre el centro de la distancia entre los focos y el
Punto P considerado.
= nmero de lneas nodales contadas a partir de la lnea central.
L = longitud real de objeto proyectado (alfiler).
L = longitud proyectada del objeto (alfiler) proyectado
= longitud real de la onda.
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL
Materiales:
Los materiales sealados a continuacin se utilizan en las actividades previstas en esta sesin experimental.
Cubeta de ondas Cronmetro
Agua Transportador
Jarra o recipiente
Fuente de luz
Motor pequeo de 1,5 voltios Lminas de papel bond blanco
Regla graduada
Estroboscopio manual
Fuente de corriente continua de 1,5
voltios Restato
Plancha de vidrio
Generador de pulsos rectos
Generador de pulsos circulares con
dos focos puntuales Bloques de parafina
Objetos circulares de diferentes
dimetros
Procedimiento comn a todas las actividades:
a) Vierta el agua contenida en la jarra en cada cubeta de ondas, hasta llenarlas a una altura de 1 cm, cercirese de su nivelacin, midiendo con una regla la profundidad en las cuatro esquinas.
b) Haga el montaje de los accesorios generadores de vibraciones.
c) Coloque en el mesn de trabajo los materiales requeridos para la ejecucin de la experiencia.
ACTIVIDAD N 1: IDENTIFICAR LA FORMA DE UN FRENTE DE ONDAS.
1. Procedimiento.
e) Coloque el generador de pulsos rectos rasante a la superficie del agua. Encienda la fuente luminosa.
f) Accione el conjunto generador de vibraciones y observe las ondas propagadas.
g) Identifique el frente de onda que se genera.
h) Identifique las regiones brillantes correspondientes a elevaciones de la masa lquida y las regiones oscuras correspondientes a descensos de la misma. Haga un diagrama de lo observado y seale en l: una cresta, un valle y la longitud de onda.
ACTIVIDAD N 2. DETERMINAR LA VELOCIDAD DE PROPAGACIN DE UN TREN DE ONDAS.
1. Procedimiento.
a) Coloque el generador de pulsos rectos rasante a la superficie del agua. Encienda la fuente luminosa.
b) Accione el conjunto generador de vibraciones y genere un tren de ondas peridicas superficiales en el agua.
c) Utilice el estroboscopio manual para fijar las ondas y determine su frecuencia, la cual viene dada por:
f = festroboscopio = (Nvueltas /t ) Nr
donde: Nvueltas /t = nmero de vueltas por segundo
Nr = nmero de ranuras utilizadas.
d) Mida la distancia entre algunas crestas usando el estroboscopio y una regla graduada y determine la longitud de onda
d
d /
= nmero de crestas.
e) Determine la velocidad de propagacin de las ondas: v = f
ACTIVIDAD N 3: REFLEXION DE ONDAS EN DOS DIMENSIONES
2. Esquema del montaje.
2. Procedimiento.
a) Ubique una barrera recta en la cubeta y coloque el generador de pulsos rectos rasante a la superficie del agua. Encienda la fuente luminosa. Posicione adems una lmina de papel blanco en la superficie del mesn que sirve de pantalla.
b) Accione el conjunto generador de vibraciones, graduando la velocidad del motor mediante el restato, generando un tren de ondas peridicas de baja frecuencia, cuyas imgenes sean observadas con nitidez.
c) Indique con una regla en la pantalla, la direccin de propagacin de los pulsos incidentes y reflejados.
d) Coloque la barrera recta oblicua con respecto al generador y observe la propagacin de las ondas.
e) Trace la proyeccin de la barrera en la lmina de papel que funge de pantalla.
f) Coloque la regla perpendicular a la imagen de los pulsos incidentes una recta que cortar la imagen de la barrera en un punto; a partir de este punto trace igualmente una perpendicular a los pulsos reflejados.
g) Trace a partir del punto de congruencia una recta normal a la barrera recta.
h) Mida con un transportador los ngulos de incidencia y reflexin, que forman respectivamente el rayo incidente y reflejado con la normal.
i) Indique cmo son estos ngulos dentro de los lmites de precisin.
ACTIVIDAD N 4: REFRACCION DE ONDAS EN DOS DIMENSIONES
1. Esquema del montaje.
2. Procedimiento.
a) Coloque una lmina de vidrio en la cubeta de tal manera que sta quede dividida en dos zonas distintas de profundidad. Adicione agua sobre la lmina de vidrio para cubrirla a un nivel no superior de 0,3 cm.
b) Accione el generador de pulsos planos originando ondas a baja frecuencia.
c) Observe la forma en que las ondas se propagan al pasar de un medio mas profundo a otro menos profundo. Compare las longitudes de ondas en ambos medios.
d) En el papel blanco que sirve de pantalla trace la proyeccin de la lnea divisoria entre los dos medios (arista donde inciden las ondas).
e) Dibuje dos semirectas perpendiculares a los rayos incidentes y refractados hacindoles coincidentes en un punto P. Dichos rayos representan la direccin de propagacin de los pulsos incidentes y refractados.
f) A partir del punto P trace una recta normal a la lnea divisoria de medios.
g) Mida con el transportador los ngulos que forman el rayo incidente y refractado con la normal, estos valores representaran respectivamente el ngulo de incidencia i y el ngulo de refraccin r.
h) Repita el procedimiento para varios valores de inclinacin de la lmina de vidrio. Complete la siguiente tabla.
ParmetrosPosicin N 1Posicin N 2Posicin N 3
i
Sen i
r
Sen r
_Sen i
Sen r
Cmo es la relacin Sen i
Sen r
ACTIVIDAD N 5: DIFRACCION DE ONDAS EN DOS DIMENSIONES
1. Esquema del montaje.
2. Procedimiento.
a) Coloque los bloques de parafina paralelamente al generador de pulsos rectos con una separacin entre ellos de una distancia d. Accione el generador de pulsos planos originando ondas a baja frecuencia.
b) Vare la distancia d entre 10 y 1 cm; observe la forma en que las ondas se propagan al pasar por la apertura.
c) Existen lneas nodales en el fenmeno observado?.
d) Retire los bloques de parafina y coloque objetos circulares. Observe y emita sus comentarios al respecto.
e) Cules son los factores que influyen en la mayor o menor difraccin?
ACTIVIDAD N 6: INTERFERENCIA DE ONDAS EN DOS DIMENSIONES
1. Esquema del montaje.
2. Procedimiento.
a) Coloque dos pequeas esferas en el generador de pulsos rectos con una distancia d de separacin entre ellas de 5 a 10 cm. Accione el generador de pulsos planos originando ondas a baja frecuencia.
b) Grade la altura de las esferas hasta que stas toquen ligeramente la superficie del agua, constituyendo dos focos emisores que vibran en fase.
c) Identifique las lneas nodales, lneas antinodales teniendo como diagrama de apoyo el sealado a continuacin.
POST- LABORATORIO
a) Cuando dos ondas iguales viajan con direcciones opuestas se interfieren para producir una onda estacionaria Cul ser el movimiento del medio en:
1. los nodos?
2. los antinodos?
3. Cul ser la separacin entre dos nodos?
b) Una vibracin de 100 ciclos/s produce un movimiento ondulatorio. Cul es la frecuencia del movimiento? Cul es su perodo?
PRACTICA N 3
ACUSTICA
OBJETIVOS DE LA PRACTICA
TEORIA RELACIONADA
La acstica es una parte de la fsica que estudia el origen, propagacin, propiedades del sonido y sus aplicaciones.
Todas las ondas elsticas en las cuales la perturbacin, sea esta una deformacin, una presin o el desplazamiento de materia que contenga muchos tomos, se propaga con una velocidad que depende de las propiedades elsticas del medio.
Las ondas sonoras son ondas longitudinales que viajan a travs de cualquier medio material (gases, slidos y lquidos) con una velocidad que depende de las propiedades del medio en el cual se propagan, las partculas del medio van a vibrar para producir un cambio de densidad y presin a lo largo de la direccin de propagacin del movimiento de la onda, las partculas se mueven paralelas a la propagacin, entonces los desplazamientos son longitudinales. Esto da como resultado una serie de regiones de alta y baja presin llamadas condensaciones y rarefacciones.
Si una fuente de onda sonora vibra senoidalmente, las variaciones de presin tambin sern senoidales.
Encontramos tres categoras de ondas mecnicas longitudinales que cubren diferente rangos de frecuencia:
1. Ondas Audibles: Entre 20 Hz y 2000 Hz (Sensitivas al odo humano) ejemplos: instrumentos musicales, cuerdas vocales y altavoces.
2. Ondas Infrasnicas: Son ondas con frecuencias por debajo del rango audible. Las ondas de terremoto son un ejemplo de ellas.
3. Ondas Ultrasnicas: Son ondas con frecuencia por encima del rango audible. Se pueden generar por cristales de cuarzo induciendo vibraciones al aplicar un campo elctrico (E) alternamente.
Un traductor es un dispositivo que transforma un tipo de potencia a otro. Como ejemplo tenemos los altavoces, los cristales de cuarzo, agujas magnticas y de cermica de los tocadiscos.
Velocidad de Onda Sonora
Las ondas sonoras son ondas de compresin que se mueven a travs de un medio comprensible, tal como el aire. La regin de aire comprimido corresponde a una variacin de presin en el aire. La rapidez de las ondas depende de la comprensibilidad del medio y de la inercia de mismo.
V = B/
B = Modulo o constante volumtrica
= Densidad de Masa
Donde el modulo volumtrico se define como:
B= - P/V/V
Toda esta expresin representa la razn del cambio de presin (P) con la fraccin resultante del cambio de volumen.
El sonido no se propaga en el vaco.
Ondas Sonoras Armonicas:
Si la fuente de una onda longitudinal, como una membrana en vibracin, oscila con un movimiento armnico simple, la perturbacin que resulta tambin ser armnica. Al producirse ondas armnicas unidimensionales la regin que presenta una alta presin se llama condensacin por lo que la densidad y la presin se encuentran por encima de sus valores de equilibrio. En aquellas regiones de baja presin son llamadas rarefacciones en donde la densidad y la presin caen por debajo de los valores de equilibrio.
Las distancias entre dos condensaciones sucesivas (o entre dos rarefacciones sucesivas) es igual a una longitud de onda ().
Si S(x,t) es el desplazamiento de un pequeo elemento del volumen medido desde su posicin de equilibrio, se puede expresar:
S(x,t) = Sm . Cos (Kx Wt)
Donde: Sm= Mximo desplazamiento a partir del equilibrio.
K= Nro de Ondas
W=Velocidad angular
La variacin de presin (P) tambin va a ser armnica P= pm. Cos (Kx-Wt) en donde pm representa el cambio mximo de presin desde su valor inicial, esta a su vez se puede expresar por la ecuacin:
P= .V.W.Sm en donde W. Sm es la velocidad longitudinal mxima. Comparando las ecuaciones de desplazamiento y la variacin de presin tenemos que ambas ondas estn desfasadas 90.
El odo humano puede detectar un amplio rango de intensidades. La intensidad (I) de una onda se define como la rapidez a la cual fluye la energa sonora a travs de una unidad de rea perpendicular a la direccin del movimiento de la onda. La intensidad esta dada por:
I= .V.(W.Sm)2 o I= (pm)2
2 2..v.
El nivel de intensidad de una onda sonora se define por la expresin:
= 10Log (I/Io)
Io: 10-12 w/m2
El umbral de audicin corresponde a una intensidad de 10-12 w/m2, mientras que el umbral del dolor tiene una intensidad de 1w/m2.
Para los niveles de intensidad si se sustituye en la ecuacin de , encontramos que el nivel correspondiente al umbral de audicin es 0d y el umbral del dolor es 120d.
La exposicin prolongada de niveles que pasen los 90 d pueden producir lesiones graves en el rgano de la audicin, en este caso se recomienda el uso de tapones o audfonos.
La contaminacin snica puede ser un factor que contribuya a la presin arterial alta, ansiedad y nerviosismo.
PRE- Laboratorio
1. El alumno antes de realizar las experiencias propuestas en la practica debe investigar las siguientes definiciones:
Acstica
Ondas sonoras
Ondas longitudinales
Condensaciones y rarefacciones
Intensidad de onda sonora
Nivel de intensidad de una onda sonora.
2. Explica los factores de los cuales depende la propagacin de Onda Sonora
3. Cul es el mejor medio de propagacin de las Ondas Sonoras?
4. Se propaga el sonido en el vaco? Razona tu respuesta
5. En qu consiste el efecto doppler?
6. Explica el fenmeno de resonancia en la propagacin de ondas Sonoras.
Materiales
Diapasones de igual frecuencia.
Martillos de goma.
Martillos de metal.
Vasos de precipitado.
Cascabel o campanilla.
Matraz.
Barra slida de aluminio.
Barra slida de cobre.
EXPERIENCIA N 1
Toma un diapasn y golpalo con un martillo de goma inmediatamente colcalo dentro de un recipiente lleno con agua. Toma nota de lo observado.
Repite la experiencia y observa durante unos segundos la superficie del agua alrededor de los extremos del diapasn. Qu ocurre?
EXPERIENCIA N 2
Utiliza para la experiencia dos diapasones de igual frecuencia.
Golpea fuertemente uno de los diapasones y acrcalo al otro diapasn. Qu sucede al otro diapasn?
Realiza de nuevo la experiencia anterior seguidamente colocando la mano sobre el diapasn golpeado. Qu ocurre con el otro diapasn?
Qu fenmeno se ilustra en la experiencia?. Explica.
EXPERIENCIA N 3
Mueve el matraz procurando que el cascabel o campanilla no choque con las paredes de este. Qu escuchas?
Por qu si el cascabel o campanilla esta encerrada completamente dentro del matraz, se puede escuchar el sonido?
EXPERIENCIA N 4
Golpea con una barra slida el extremo de una lmina slida (aluminio).
Golpea con una barra slida uno de los extremos de una lamina slida (cobre).
En cual se percibe con mayor rapidez el sonido producido?.
Lamina de Cobre Barra slida Lamina de Aluminio
Explica:
El pulso producido se propaga a lo largo de la barra con una rapidez
v= /
Donde es el modulo de Yong del material y p es la densidad de equilibrio. Teniendo los valores para el aluminio =7.0x1010n/m2; =2.7x103kg/m3; para el cobre =14.0x1010n/m2; =8.92x103kg/m3
Calcula la rapidez del sonido en cada caso.
Qu concluyes al respecto?
Post- Laboratorio
1. Cuales son las unidades S.I para el modulo volumetrico expresado en la ecuacion. B= (p/ (V/V).. Demuestre que S.I de v=B/p. Son m/s?.
2. La densidad de la acetona es de 792 kg/m3. Su modulo volumetrico depende de la temperatura de acuerdo con la siguiente expresion.
B = -6x106.T +9,02x108 donde B est en N/m2 y T en C:Cul es la rapidez del sonido en la acetona a 20C?.
3. Calcule la amplitud de presion de una onda sonora de 2000 Hz en el aire si la amplitud del desplazamiento es igual a 2x10-8 m (=1,2kg/m3 y v=343 m/s)
4. Escriba una expresion que describa la variacion de expresion como una funcion de posicion y del tiempo para una onda sonora armonica en el aire. =0,1 m y Apm = 0,2 N/m2.
5. En una lavanderia se ha medido un nivel de sonido de 74d. Cual es la intensidad de este sonido en w/m2?
6. Dos fuentes tienen niveles de sonido de 75 y 80d. Si suenan simultaneamente, a) Cual es el nivel del sonido combinado?, b) Cual es la intensidad de este sonido en w/m2?
7. Estando en el cruce de una avenida; se escucha una frecuencia de 500 Hz que proviene de la sirena de una patrulla que se acerca. Despues de que pasa la patrulla la frecuencia observada es 480 Hz. A partir de estas observaciones, determine la rapidez de la patrulla.
8. Un tren se mueve paralelamente a una supercarretera con una rapidez constante de 20 m/s. Un auto viajo en la misma direccion del tren con una rapidez de 40 m/s. En tanto el auto alcanza y pasa al tren la bocina del auto suena una frecuencia de 520 Hz y el silbato del tren suena a 320 Hzm A) Qu frecuencia observa un ocupante del auto para el silbato del tren en el instante en que empieza a repasar? B) Qu frecuencia de la bocina escucha un pasajero del tren justo despues de pasarlo el auto?
PRACTICA N 4
FOTOMETRIA
OBJETIVO DE LA PRCTICA
MATERIAL UTILIZADO
Lmparas pticas prismas Lentes planos
Pantalla porta lentes Regla graduada Regulador de voltaje
PRE-LABORATORIO
1. Investigue los siguientes trminos
a. Fotometra
b. Luz
c. Cuerpos opacos
d. Flujo Luminoso
e. Intensidad Luminosa
f. Iluminacin
g. Fuente Isotrpica
2. Dibuje un diagrama que simule un eclipse solar, marcando la Umbra y la penumbra proyectada sobre la tierra.
3. Explique brevemente en qu consiste la descomposicin de la luz.
4. Explique porque el cielo usualmente muestra un color azul.
5. Qu factores contribuyen a la iluminacin de una superficie.
6. Que magnitud mide el fotmetro.
7. Cmo se llaman las membranas del ojo humano capaces de distinguir los colores claros y oscuros. Explique.
8. Hacer un dibuje que ilustre la formacin de imgenes en el ojo humano.
EXPERIENCIA N1
Realizar el montaje indicado en la figura y concluye sobre lo observado
Prisma Descomposicin de la luz
Respode:
a. Qu observas con el haz de iluminacin al atravesar el prima?
b. Qu papel cumple el prima en la experiencia?
c. Qu representa cada franja de color?
d. Con qu fenmeno natural puedes comparar lo observado?
e. Explica que propiedad de la Luz ocurre en el fenmeno observado.
EXPERIENCIA N 2
1.Utiliza una lmpara de tungsteno con las siguientes caractersticas.
Flujo emitido por abertura = 7,5 lmenes; F= 7,5 Lm
a. Encienda la lmpara y colcala de manera que ilumine una pantalla perpendicularmente.
b. Aleja la lmpara progresivamente cada 0,5 m hasta lograr una distancia de 4m
c. Completa el cuadro siguiente:
R= separacin entre la lmpara y la pantalla; r = radio del rea iluminada.
A= superficie o rea iluminada
CUADRO
Lmpara Pantalla
2. Repite la experiencia anterior utilizando una lmpara con Flujo luminoso de
F= 10,5 Lumen
a. Aleja la lmpara progresivamente cada 0,5 m hasta lograr una distancia de 4m
b. Completa el cuadro
R(m)d(m)radio(m)A(m2 )
. r2 (sr)
A/R2I (F/ )E (I/R2)E(F/A)
0,5
1
1,5
2,0
2,5
3
3,5
4,0
POST-LABORATORIO.
1. Segn la Experiencia N 2. Cmo varia la iluminacin sobre un area determinada de superficie?
2. Si se coloca una fuente puntual de luz a 20 cms de una regla d 8 cms de longitud, calcular la longitud de la sombra proyectada sobre la pared , la cual se encuentra distante de la regla 52 cms. R: 103,7 cm
3.A que distancia debe colocarse un objeto circular de 100 mm de dimetro, respecto a una fuente puntual de luz, para formar una sombra de 620 mm de dimetro de distancia proyectada a una distancia de 2,4m respecto a la fuente luminosa. R : 0,39m
4. A que distancia de un disco circular de 28 mm de dimetro, debe colocarse una fuente puntal de luz para formar una sombra de 108mm de dimetro, proyectada sobre una pantalla situada a 1,2 m del disco. R: 0,42m
5. Una fuente puntual de luz est a 3,8 mts de una pantalla sobre la cual se perfora un orificio circular de 98 mm de dimetro. El flujo luminoso que pasa a travs de el orificio es de 0,1 lumen. a) Cual es el ngulo slido formado desde la fuente luminosa que pasa por el orificio? b) Cual es la Intensidad de la fuente luminosa en la misma direccin? c) Cual es la iluminacin recibida sobre un pedazo de papel colocado detrs del orificio? R : 5,22x10-4 sr ; 1,91 x 10 -2 cd ; 0,13x102 lux
6.Se compara una fuente de luz estndar d e82 cd de intensidad con una lmpara cuya intensidad luminosa es desconocida. Las 2 fuentes luminosas se colocan con una separacin de 1400 mm formndose una sombra la cual se desplaza hacia la fuente estndar. Cuando la sombra esta a 65 cms de la fuente estndar, la iluminacin proveniente de ambas fuentes luminosas se igualan, Calcule la Intensidad luminosa de la lmpara R: 109,17 cd
7. Que ngulo alfa ( ) se forma entre el flujo luminoso y una lnea recta dibujada normalmente a la superficie, la cual har una iluminacin inicial sea de 4/3 veces la iluminacin final, permaneciendo invariable la distancia a la superficie R: =41,4
[ f ] =Hz= 1 ciclo/s
R(m)d(m)radio(m)A(m2 )
. r2 (sr)
A/R2I (F/ )E (I/R2)E(F/A)0,511,52,02,533,54,0
i r
VALLE
CRESTA
v
Y
A
X
Plano de incidencia
S
S
BARRERA
p
Normal
vr
vi
i
r
BARRERA RECTA
Generador de
Pulsos rectos
Generador de
Pulsos rectos
LAMINA DE VIDRIO
Generador de
Pulsos rectos
d
Bloques de parafina
Generador de
Pulsos rectos
d
ESFERAS
VIBRADORAS
Analizar experimentalmente los conceptos bsicos de ondas sonoras:
Comprobar que el sonido se comporta como una onda.
Comprobar que el sonido tiene distinta rapidez de acuerdo al medio donde se propaga.
1. Observar la descomposicin de un haz de luz en sus diferentes longitudes de ondas.
2. Comprobar que la iluminacin sobre determinada superficie vara con el inverso del cuadrado de la distancia.
