Fisica No. 3 Ciclo Vi 2008

HERRAMIENTA PEDAGOGICA DE APOYO PARA EL BACHILLERATO DEPARTAMENTO DE PUBLICACIONES GUIA DE TRABAJO No 3 AREA DE CIENCIAS FISICA CICLO VI Elaborada por ENRIQUE CARO

BOGOTA D.C 1

DATOS DEL ESTUDIANTE

NOMBRE DEL ESTUDIANTE

: _______________________ ________________________

CICLO

: ________________________

JORNADA

: MARTES Y MIERCOLES ( ) JUEVES Y VIERNES( ) SABADOS

( )

DOMINGOS

( )

NOMBRE DEL PROFESOR

: ________________________

FECHA

: DEL __________ AL _______

CALIFICACION

: ________________________

_____________________ FIRMA DEL PROFESOR

2

Diálogo:

Olga

Vanesa

Estudiante de Física

Estudiante de Bachillerato

Vanesa: No logro entender qué es una onda, a pesar de haber resuelto muchos problemas numéricos relativos a longitudes de onda, desfases entre ondas que se superponen en un punto, interferencia de ondas, etc. Olga: Explícate un poco mas. Vanesa: ¿Te das cuenta? Si te digo que sé lo que es una partícula, tú no dudas en imaginarte lo que digo; supones que me imagino una porción de materia inerte, que puede transportar energía cinética o potencial de un lugar a otro, cuyas dimensiones espaciales pueden considerarse despreciables, pero no su masa. Olga: Tal vez pueda ser origen de campos electromagnéticos y… Vanesa: tener otros atributos. Pero lo esencial de ella está dicho. Me la puedo imaginar y te lo puedo transmitir mediante palabras. Pero, ¿me puedes tú decir algo parecido en el caso de una onda? Olga: Hum…No había pensado en eso. Uno se acostumbra a calcular longitudes de onda, desfases, etc., pero no se detiene a pensar cuáles son las diferencias entre

3

una onda y una partícula, para luego establecer las características esenciales de la onda. Vanesa: Podríamos empezar por establecer algunas diferencias entre las partículas y las ondas. ¿No te parece? Olga: En eso pensaba. Vanesa: Yo colabore diciendo lo que es una partícula. Y ya lo hice. Entonces te toca a ti hablar de la onda. Olga: Creo que las partículas pueden existir en reposo, mientras que una onda es un fenómeno, esencialmente, espacio-temporal. No puedo imaginarme una onda encerrada en un mismo lugar todo el tiempo. Vanesa: Por qué dices "un fenómeno", ¿al referirte a la onda? ¿Es que acaso no es una cosa? Olga: Creo que no lo es. Es más bien un proceso, o un fenómeno, para el transporte de energía. Vanesa: Son palabras muy vagas. Deberías precisar un poco. Olga: Es algo difícil, pero trataré. Este transporte de energía no es convectivo sino, digámoslo así, radiactivo. Vanesa: ¿Cómo es el convectivo? Olga: Pues el método usual de .tomar un objeto material, entregarle energía y hacer que se desplace de un lugar a otro con esa energía. Vanesa: Como cuando lanzamos una piedra de un sitio a otro? Olga: ¡Eso es¡ La piedra debe desplazarse solidariamente con la energía para

4

transportarla. Vanesa: En el caso de la onda las partículas del medio no tienen que desplazarse más que una pequeña distancia, pero con el fin de poder almacenar la energía que transporta la onda. Incluso, pueden hacer este desplazamiento en dirección diferente a la dirección en que se mueve la energía, como en las ondas transversales. Olga: Eso es precisamente la onda: una configuración. Esa configuración requiere de energía para formarse, y es esa energía la que transporta la onda. Es esa la configuración que se desplaza de un lugar a otro. Vanesa: ¿Pero de qué tipo de configuración hablas? una configuración es una especie de perfil o de silueta, pero en una onda electromagnética o sonora no me puedo imaginar una silueta viajando por el espacio. Olga: Lo que ocurre es que se trata de una silueta detectable mediante dispositivos especiales. Por ejemplo, la silueta sonora se detecta mediante el oído. Pero si existiera un aparato que pudiera fotografiar la configuración de las moléculas de aire que producen la sensación sonora de la palabra "libro", tendríamos una cierta aglomeración de partículas de aire muy diferente a la que se produciría con la palabra "perro". Vanesa: Pero, entonces, ¿esas fotografías serían las ondas? Olga: No del todo. En la descripción de una onda no participa solamente la configuración en un momento dado, sino en varios momentos; porque se trata de una configuración viajera. Vanesa: Y, ¿cómo se origina esa configuración viajera? Olga: Situado en un punto del espacio un individuo puede producir en cada momento una etapa diferente de la configuración. Es decir, elaborar una cronología de la configuración.

5

Vanesa: ¿Y cómo? Olga: Mediante un instrumento apropiado. Si la configuración es sonora deberá construirse mediante un dispositivo que permita alterar la distribución normal de las moléculas del aire. Vanesa: ¿Un compresor? Olga: O una bocina. O con las propias cuerdas vocales, si no se necesita de mucha intensidad. Vanesa: ¡Ya! En estos momentos estamos elaborando cronologías configuraciones sonoras mediante nuestras cuerdas vocales, que…

de

Olga:… viajan a través de las moléculas del aire, desde tu boca hasta mis oídos, sin que… Vanesa: … para ello tengan que desplazarse las moléculas de aire desde mi boca hasta tus oídos. ¡Comprendido! Sin embargo, no te parece asombroso que, mientras yo solo elaboro una cronología, ¿el medio se encarga de elaborar una fotografía de mi cronología? Esto es, de distribuir espacialmente lo que yo distribuyo temporalmente. Olga: Ese es el doble aspecto, característico de una onda: es un fenómeno espaciotemporal. Esas fotografías viajeras, o como las llames, generan una cronología en el receptor. Vanesa: Pero en orden inverso del que fue producida… Olga: No. En el mismo orden. Lo que se distribuye inversamente es la distribución espacial; es decir, las fotografías. Si el emisor graba la siguiente señal: "sosténganlo por encima", la palabra "sosténganlo" fue emitida antes de "por" y de "encima"; por lo tanto, tendrá mayor tiempo de estar viajando por el aire…

6

Vanesa: … y será la que mas distanciada está, en un momento dado, del emisor. Olga: ¡Correcto! ¿Cuál sería la distribución espacial de las palabras? Vanesa: Pues,..Veamos,... ¿"encima por sosténganlo"? Olga: Estando el emisor a la izquierda y el receptor a la derecha. Vanesa: Aunque, viéndolo bien, las sílabas también deberían organizarse en forma inversa. O sea que el mensaje fotográfico debería ser: "am-ic-ne rop ol-ag-netsos". Olga: ¿Ves cómo es de diferente, por lo menos desde el punto de vista visual, el mensaje fotográfico del cronológico? Sin embargo, esta fotografía viajera genera en el receptor la misma información generada por el emisor. Vanesa: ¡Imposible! El orden temporal está invertido. Olga: ¡No! Solamente el espacial. Si observas con cuidado la distribución espacial de la información veras que lo primero recibido por el receptor será la señal que primero produjo el emisor. Vanesa: Es decir: ¿"sosténganlo"? Olga: Correcto: Aunque no en ese orden están distribuidas las sílabas en el espacio... Vanesa: ¡Es cierto! La distribución espacial es invertida respecto a la temporal: para ser percibida como "sosténganlo" debe viajar como "olagnetsos". Olga: O sea que una cronología como ésta: genera una fotografía como ésta otra: Vanesa: Y viceversa. Olga: Entonces podemos decir que una onda es una configuración energética

7

espacial, viajera,… Vanesa: ... generada temporalmente... Olga:.., y temporalmente detectada. Hum,… Hum,... No había observado hasta hoy que las fotografías tienen su existencia en el intervalo temporal que separa dos cronologías: la de emisión y la de recepción. Vanesa: Es cierto. Aquella señal emitida en un momento dado, pero que aún no ha sido percibida por el receptor, se la ubica en cierto lugar del espacio. Olga: Ese lugar tiene un alejamiento del emisor que es proporcional al intervalo de tiempo transcurrido desde su emisión. Vanesa: Sí. Ese alejamiento es el espacio que decimos ha recorrido la onda. Olga: En todo caso, para las ondas existe una equivalencia espacial de los intervalos temporales. Ya lo ves en el fenómeno de superposición de ondas que provienen de dos fuentes diferentes. Si las dos fuentes están desfasadas temporalmente, ello puede ser compensado por su diferente separación espacial al punto donde se superponen, y… Vanesa: ¿lograr así que lleguen en fase? Olga: ¡Correcto! Y también puedo hacer lo mismo con los desfases producidos por separación espacial de las dos fuentes. Vanesa: ¿Compensarlos con desfases temporales? Olga: SÍ. Es que la fase de la onda en un punto dado depende tanto del intervalo espacial recorrido por ella desde su punto de emisión, como del intervalo temporal transcurrido desde que fue emitida hasta el momento de su recepción. Vanesa: Pero el espacio y el tiempo son dos categorías físicas diferentes, y sus unidades son distintas. ¿Cómo es que intervienen de igual manera en la fase de la

8

onda? Olga: Ambas magnitudes son convertidas dentro de la fase en cantidades sin dimensiones, que pueden sumarse o restarse entre sí sin importar su origen, La fase funciona como una cuenta bancaria, donde el valor de tu dinero no depende para nada de su origen: una parte puede provenir de tu trabajo y otro de una transacción comercial afortunada o de la venta de unos terrenos que eran de tu propiedad. Vanesa: La fase de la onda funciona como un extracto de banco, ¿donde se recuerda el valor de lo que se ha consignado, pero no se especifica su origen? Olga: Algo así, pero hay que tener cuidado en ciertos casos en los que no hay cifrada una señal espacial. Vanesa: ¿Como ocurre monocromáticas?

en

el

caso

de

ondas

luminosas

perfectamente

Olga: O en ondas sonoras perfectas, como las que emite un diapasón. Vanesa: ¿Qué ocurre en tales casos? Olga: La señal generada se repite monótonamente una y otra vez, produciéndose un tren de ondas, completamente idénticas una después de otra. Vanesa: ¿Y qué puede pasar? Olga: Que si percibes la onda cada determinado intervalo temporal, situándote en un punto determinado del espacio, puede que no percibas ningún cambio en lo percibido y, por ello no percibas nada. Vanesa: ¿Por qué? Olga: Porque los sensores están hechos para percibir fluctuaciones. Si éstas no se

9

presentan no hay sensación. Vanesa: Pero, ¿qué pasa con la energía emitida periódicamente por la fuente? Olga: Se propaga distribuida espacialmente de manera periódica en un trayecto denominado longitud de onda. Si se acciona el detector cada vez que haya transcurrido un período, se registrará siempre la misma porción de la configuración energética ondulatoria y la impresión en el detector será equivalente a una especie de presión aplicada sobre él de manera constante. Vanesa: Siempre y cuando el sensor del detector no alcance a recuperar su situación inicial en el intervalo temporal que separa los dos accionamientos. Es decir, su tiempo de recuperación sea mucho mayor que el período de la señal ondulatoria. Olga: Sí. Corno ocurre con la visión y la iluminación estroboscópica: por ello es que nos hacen ver casi detenidas las alas de un colibrí o el aleteo de una mariposa. Vanesa: Pero, con respecto a la relación que existe entre la longitud de onda y el período, ¿qué me puedes decir? Olga: En la longitud de onda se almacena espacialmente toda la información que se produce cronológicamente durante un período en el emisor, o que se percibe en el receptor en el mismo intervalo de tiempo. Vanesa: Pero, entonces, ¿la longitud de onda y el período son de igual tamaño? Olga: ¡No! El período puede ser pequeñísimo, como el de las ondas luminosas, mientras que la longitud de onda puede ser muy grande. Eso depende de la velocidad con que se propague la energía de la onda. Por ejemplo, una onda senoidal cuyo período sea de un microsegundo, pero que se propague con la rapidez de la luz, tiene una longitud de onda de unos 300 metros. Vanesa: O sea ¿que una señal que esté comprimida temporalmente se expande

10

espacialmente? Olga: ¡Correcto! Vanesa: ¿Lo cual permite "leerla" con mayor facilidad? Olga: ¿Por qué dices eso? Vanesa: Porque ahora es más lento el proceso de recepción de la señal, al tener sus partes más separadas entre sí. Olga: Pero la velocidad con que ingresa la señal al receptor aumenta en igual proporción. Vanesa: ¿De tal manera que el tiempo de "lectura" sigue siendo igual? Olga: Sí. Vanesa: ¿Y si se emplearan ondas sonoras? Olga: Es igual. Lo que se gana ampliando espacialmente la señal, se debe a la velocidad con que se propaga la misma y, por consiguiente, el proceso de recepción de la misma aumenta su rapidez en igual proporción. Vanesa: Hay ampliación espacial pero no temporal. Olga: Incluso, la llamada "ampliación espacial", es una expresión incorrecta. Vanesa: ¿Por que? Olga: Porque el cronograma de la señal tiene como abscisa la variable "tiempo", mientras que la fotografía de la misma señal tiene como abscisa la variable "longitud". Vanesa: Solo se trata de un asunto de escala. El factor de escala es la velocidad

11

de propagación de la onda. Olga: Y también de inversión: los valores pequeños de tiempo en el cronograma corresponde a los valores altos de longitud en la fotografía y viceversa.

12

13

14

1. De los siguientes movimientos señale el que no sea periódico. a. b. c. d.

Movimiento de la tierra alrededor del sol. Movimiento de la tierra sobre si misma Movimiento de caída de un cuerpo Movimiento de una cuerda.

2. cuando una onda al propagarse cambia de medio se presenta el fenómeno denominado: a. Reflexión b. Refracción c. Dispersión d. Difracción. 3. Si la longitud de un péndulo se alarga:

a. Aumenta el periodo. b. Disminuye el periodo. c. El periodo no cambia. d. El periodo es independiente de la longitud.

15

4. Un objeto de 2 kg, atado a un resorte describe un movimiento de ecuación. . La frecuencia angular de este movimiento es:

a. 1 rad/s b. 2 rad/s c. 2 d.

rad/s rad/s

4. El sonido se propaga con mayor velocidad: a. En los líquidos b. En los gases. c. En los sólidos d. La velocidad es la misma en todos los medios. 5. El tono de un sonido que permite distinguirlo de uno agudo o de uno grave depende de: a. La amplitud de las vibraciones. b. Del periodo de vibración. c. De la frecuencia de vibración.

16

d. Del medio de propagación. 6. La intensidad de un sonido que permite distinguirlo de uno fuerte o de uno débil y esta asociado al botón del volumen en los electrodomésticos depende de: a. La amplitud de las vibraciones. b. Del periodo de vibración. c. De la frecuencia de vibración. d. Del medio de propagación. 7. El efecto Doppler en el sonido se da cuando la fuente sonora (quien emite el sonido) y el observador (quien escucha) se encuentran en movimiento relativo del uno hacia el otro, consiste en:

a. Variación de la frecuencia aparente del sonido. b. Variación en el timbre del sonido. c. Distorsión del sonido. d. Deformación de las ondas.

Tipo Verdadero-Falso

17

Determine el valor de verdad o falsedad en las siguientes afirmaciones. Marque a. en la hoja de respuestas si la proposición es verdadera y b. si el enunciado es falso. 8. El periodo de un péndulo es directamente proporcional a la longitud.

9.

Siempre que vibra la materia se produce sonido.

10.

La velocidad con que se propaga el sonido es independiente de la

temperatura.

18