Manual de Ondas by Departamento de Física ULS

MANUALES DE LABORATORIO FÍSICA-ULS

Profesores: Margarita Guzmรกn Vega Geraldo Pulgar Villarroel

ÍNDICE GENERAL Página

INDICE GENERAL

INTRODUCCIÓN

FENÓMENOS ONDULATORIOS

INTENSIDAD LUMINOSA

REFRACCIÓN

ESPEJOS

LENTES

ONDAS ESTACIONARIAS

DIFRACCIÓN

SOBRE EL INFORME REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

25 26

INTRODUCCIÓN

El presente manual está dirigido a los alumnos de la carrera de Pedagogía en Matemática y Física, con el fin de facilitar el trabajo de laboratorio y así mejorar el rendimiento en la asignatura de Fenómenos Ondulatorios. Los experimentos están ordenados según el programa que se desarrolla en clases teóricas, y cubren la mayoría de los temas tratados. La metodología de laboratorio implica el uso de software especializado, como Grapher 3.0, Data Studio, además de los simuladores de fenómenos físicos y manipulación directa de instrumental que permiten el buen desarrollo de las actividades.

Autores: Margarita Guzmán V. Karina Ávalos V. Geraldo Pulgar V.

FENÓMENOS ONDULATORIOS OBJETIVOS   

Comprender el comportamiento de las ondas que se propagan en diferentes medios Conocer los distintos fenómenos ondulatorios. Distinguir una onda longitudinal de una transversal. En cada actividad, describa lo observado y responda a las preguntas planteadas.

I.- UTILIZANDO RESORTES 1. Estire un resorte hasta 4 metros aproximadamente. Con la ayuda de un compañero(a) mantenga el otro extremo fijo y genere un pulso transversal. Describa lo que ocurre cuando el pulso llega al extremo fijo del resorte. Dibuje lo observado. 2. Instale ahora el resorte de modo que el extremo que mantenía fijo quede ahora sujeto a una barra metálica de manera que pueda deslizar libremente sobre ella y oscilar lateralmente. (Puede colocar la barra horizontalmente entre soportes universales). Envíe un pulso desde el extremo libre y observe el aspecto del pulso después de reflejarse. ¿Encuentra alguna diferencia con lo observado en el experimento anterior? 3. Tome dos resortes de distinto grosor y engánchelos uno al otro por uno de sus extremos. Luego con la ayuda de su compañero(a) estírelos hasta aproximadamente el doble de su tamaño original. A continuación, desde el extremo libre del resorte más liviano, envíe un pulso. Observe lo que ocurre después que el pulso llega al punto de unión de los resortes. Describa con el mayor detalle posible lo que observa. 4. Fije su atención sobre un punto cualquiera de la cuerda. Márquelo. Repita el experimento anterior. a) ¿Avanza el punto marcado cuando se mueve el resorte? b) ¿Cómo se mueve el punto marcado cuando es alcanzado por la onda? 5. Tome un resorte de mayor diámetro y fije uno de los extremos y estírelo. Genere un pulso a lo largo del resorte. ¿Qué observa? 6. Marque un punto sobre el resorte. ¿Cómo se mueve el punto marcado cuando es alcanzado por la onda? Explique.

II. UTILIZANDO LA CUBETA DE ONDAS.

1. Coloque un papel blanco debajo del depósito y llene con agua hasta una profundidad de 0.5 cm. 2. Una vez que la superficie del agua esté en equilibrio, perturbe el agua en el centro de la cubeta produciendo un pulso con el dedo o lápiz. ¿qué observa? Dibuje y Explique. 3. Conecte un generador de onda puntual y produzca ahora varios pulsos uno tras otro, con frecuencias de 0 – 15 Hz, según guste. Describa lo que observa. 4. Coloque el generador de ondas plano y ajústelo en la cubeta. Use una frecuencia de 0 – 15 Hz en el medidor de frecuencia. Dibuje lo que observa. 5. Intercepte las ondas con una barrera plana colocada perpendicularmente al fondo de la cubeta. Observe las ondas incidentes y reflejadas. Con una regla dibújelas en el papel colocado debajo del depósito. ¿Cómo es la frecuencia de la onda incidente comparada con la reflejada? 6. Coloque ahora dos barreras planas formando una apertura al paso del frente de ondas plano. ¿Qué observa? Dibuje lo observado. 7. Manteniendo constante la frecuencia de las ondas incidentes, varíe el tamaño de la apertura. Dibuje lo observado. Este fenómeno se llama difracción 8. Recuerde que si aumenta la frecuencia, disminuye la longitud de onda. En qué caso se observa con mayor claridad la difracción: ¿cuando la longitud de onda es grande o cuando es pequeña? 9. Golpee periódica y sincronizadamente la superficie del agua con dos objetos

puntuales separados unos 3 cm. Hágalo lentamente tratando de observar el máximo de detalles del fenómeno que se produce. 10. Golpee periódica y repetidamente con un objeto puntual mientras lo desplaza sobre la superficie del agua, ¿Qué observa? Dibuje lo observado. III. CON EL SONÓMETRO 

Pulse el sonómetro para generar una onda sonora.



Varíe la longitud de la cuerda moviendo el cursor y compare con el sonido emitido anteriormente. ¿Qué sucede?, ¿Por qué?



Modifique la tensión aplicada sobre el alambre, agregando masas de diferente tamaño o girando el clavijero. Tenga cuidado, la cuerda puede romperse. ¿Cómo varía el tono (la frecuencia) con la tensión?

IV. CON TUBOS  Tome un recipiente o matraz vacío, sople sobre la boca del mismo y escuche el sonido que se produce.  Agregue agua al recipiente y sople. Agregue más agua y vuelva a hacerlo sonar. ¿Qué sucede?, ¿Por qué?  Sople ahora los tubos de distinta longitud con los que está hecha la zampoña. ¿Cuál es más alto?

INTENSIDAD LUMINOSA Objetivo Verificar que la intensidad de la luz medida en un punto es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde la fuente a dicho punto. Procedimiento En esta experiencia se utilizará el programa DATA STUDIO una herramienta entretenida para el trabajo científico, esto por su aplicación didáctica y además por la facilidad técnica que presenta. 1. Ubique la ampolleta sobre el riel fijando cuidadosamente la posición del filamento. Con respecto del filamento se medirán las distancias. 2. Coloque el sensor de luz sobre el riel apuntando hacia la luz y cuidando que quede a su misma altura. Escoja como primera posición 50 cm. Conecte el terminal del sensor de luz al correspondiente canal A de la interfase.

3. En el computador, ingrese al programa Data Studio y a la opción Create Experiment.

4. Haga click en el botón Options, luego en Keep samples on button …. Seleccione Keep Manually Entered data values with samples.

5. Aparecerá un menú de diálogo. En él teclee distancia como nombre de la variable, m (metros) en las unidades y coloque un valor máximo de 0.5. haga click en OK. También OK en la ventana de Options. Debe aparecer un nuevo conjunto de datos llamado Default Keyboard Data en la ventana de datos. 6. En la columna de sensores, seleccione el sensor de luz (light sensor) y haga doble click para conectarl o.

7. Tome Default keyboard de la lista Data y arrástrelo hasta Table de la columna displays. Aparecerá una tabla ( Table 1). Tome ahora Light intensity y ubíquelo sobre Table 1.

8. Desconecte la variable tiempo haciendo click sobre el reloj de la ventana Table 1. 9. Para tomar datos, coloque la fuente de luz a 50 cm del sensor, presione la tecla Start y escriba el valor para la distancia, cuando se estabilice el valor de la intensidad, presione intro y luego keep. 10.Repita lo anterior variando el valor de la distancia, hasta un acercamiento de 5 cm (0.05 m) del sensor. 11.Finalmente presione stop. 12.Copie los datos en el programa GRAPHER. 13.Construya un gráfico “intensidad v/s distancia”. 14.Haga un ajuste de curva apropiado. 15.Escriba sus conclusiones, respecto a la ecuación de ajuste, la pendiente y la teoría.

REFRACCIÓN DE LA LUZ. OBJETIVOS 

Verificar la ley de Snell.



Encontrar el índice de refracción del agua u otra sustancia transparente.

MARCO TEÓRICO La acción de la luz al atravesar la superficie de separación de dos medios transparentes y penetrar al segundo medio, recibe el nombre de refracción. El ángulo de refracción es el ángulo formado por la normal y el rayo refractado. En el análisis, se deben tener en cuenta: los medios de propagación de la luz, la superficie de separación llamada interfaz, la normal a la interfaz, el ángulo de incidencia ϴi, el ángulo de refracción ϴr, figura 1. La ley de Snell:

siendo n1 y n2 los índices de refracción en el medio 1 (aire) y medio 2 (agua, vidrio o acrílico). Valores teóricos de los índices de refracción

PROCEDIMIENTO: 1. Coloque un semicilindro con agua, glicerina u otro material transparente sobre una hoja de papel sobre la que previamente se han trazado dos líneas perpendiculares entre sí. Disponga el semicilindro de modo que su eje sea la normal al papel en el punto de intersección de las rectas dibujadas en el papel y que el diámetro de la base coincida con una de estas rectas. (ver figura)

2. Clave un alfiler a unos dos centímetros del centro de la base sobre la recta normal al diámetro. Cuide que quede normal al papel. 3. Observe el alfiler a través de la parte convexa del semicilindro y mueva su cabeza hasta que el eje del cilindro y el alfiler queden en línea. Marque, con otro alfiler, la trayectoria de los rayos de luz. 4. Cambie la posición del alfiler de manera que ahora el ángulo de incidencia sea de 20º. Coloque un segundo alfiler de modo que se vea en línea con el eje del cilindro y el primer alfiler. 5. Repita lo anterior para ángulos de incidencia entre 20º y 70º. Asegúrese una imagen nítida del primer alfiler para ángulos grandes, acercando el alfiler al semicilindro. 6. Complete una tabla como la siguiente: i

r

Sen i

Sen r

PREGUNTAS: 1. Construya un gráfico sen i v/s sen t. ¿Qué tipo de curva obtiene? 2. Haga un ajuste lineal, ¿Qué representa la pendiente? Explique. 3. ¿Qué valor tiene el índice de refracción que obtuvo? ¿Está de acuerdo con el valor teórico? 4. ¿Varía el camino recorrido por la luz a través del material cuando se invierte el sentido del rayo? Explique. 5. ¿Puede predecir cómo se comporta la luz cuando atraviesa oblicuamente un trozo de vidrio de caras paralelas?

ESPEJOS: PLANO, CÓNCAVO Y CONVEXO OBJETIVOS 

Verificar la ley de reflexión para espejos planos.



Ubicar las imágenes formadas por un espejo plano y un espejo esférico.



Determinar la distancia focal de un espejo esférico cóncavo.

I. DETERMINACIÓN DE LA IMAGEN PRODUCIDA POR UN ESPEJO PLANO. 1. Clave un alfiler (objeto) a unos 6 cm de distancia de un espejo plano vertical. 2. Localice la posición de la imagen colocando un segundo alfiler hasta que no exista paralaje entre él y la imagen del primero, es decir que la imagen coincida con el 2º alfiler. 3. Mida la distancia entre este segundo alfiler y el espejo. 4. La imagen encontrada es: ¿Real o virtual?; ¿Derecha o invertida?; ¿tiene aumento? 5. Repita para otras posiciones del objeto. 6. ¿Qué relación puede establecer respecto de las distancias del objeto y de la imagen al espejo? II. VERIFICACIÓN DE LA LEY DE REFLEXIÓN. 1. Sitúe el láser frente al espejo de manera que el rayo incida perpendicular al espejo plano, en este caso el rayo incidente coincide con el reflejado, marque este punto en el espejo. 2. Envíe sobre el punto anteriormente marcado un rayo con un ángulo de incidencia de 10º y mida el valor del ángulo reflejado. 3. Repita lo anterior para otros ángulos de incidencia. 4. Compare el valor del ángulo incidente con el reflejado, calculando también el error porcentual.

III. IMAGEN FORMADA POR UN ESPEJO ESFÉRICO. 1. Arme el montaje que aparece en la figura 1:

2. Gire levemente el espejo cóncavo y coloque la pantalla de manera que la imagen se forme apenas a un lado del objeto, como se aprecia en la figura 2. 3. Ubique el espejo de manera que se encuentre a una distancia del objeto mayor que la distancia focal del espejo. 4. Busque con la pantalla una imagen nítida del objeto. Describa la imagen, es decir, indique las diferencias que nota respecto de la original. 5. Repita para varias posiciones del objeto (o del espejo). 6. ¿Qué sucede si la distancia entre el objeto y el espejo es menor que la distancia focal? Explique con algún dibujo. 7. Reemplace el espejo cóncavo por uno convexo y describa el tipo de imagen que se forma, es decir si es real o virtual, derecha o invertida y con o sin aumento.

IV. DETERMINACIÓN DE LA DISTANCIA FOCAL DE UN ESPEJO CÓNCAVO.

1. Arme el siguiente montaje: 2. Ajuste la posición de la lente hasta que la imagen de la fuente luminosa, es decir, el filamento de la ampolleta se encuentre en el plano del iris. Esta imagen será objeto O para el espejo. 3. Mueva el espejo hasta conseguir que la imagen del objeto O coincida con éste en el plano del iris. Mida la separación iris – espejo que corresponde al radio de curvatura. 4. En los espejos esféricos se verifica R = 2F, donde R es el radio de curvatura y F es la distancia focal del espejo, éste valor está impreso en cada espejo. ¿Cuál es la distancia focal de su espejo? 5. Determine el error porcentual de su medida con respecto al valor teórico.

LENTES OBJETIVOS   

Ubicar las imágenes formadas por una lente convergente Determinar la distancia focal de una lente convergente Determinar la distancia focal de una lente divergente

CARACTERIZACIÓN DE LA IMAGEN PRODUCIDA POR UNA LENTE CONVERGENTE.

1. Arme el siguiente montaje:

2. Use la lente de +100 mm de distancia focal y coloque el objeto aproximadamente a 15 cm de la lente. 3. Mueva la pantalla hasta conseguir una imagen nítida del objeto. ¿Cómo es la imagen?. Caracterícela. 4. Aleje el objeto y vuelva a ubicar la imagen. Compárela con la anterior. 5. Siga alejando el objeto y repita. 5. Acerque ahora la lente al objeto de modo que la distancia entre ambas sea inferior a 10 cm, En esa posición mire el objeto a través de la lente y describa la imagen que observa. II. DETERMINACIÓN DE LA DISTANCIA FOCAL DE UNA LENTE CONVERGENTE. 1. Arme el siguiente montaje:

2. Ubique la lámpara en el foco de la lente 1. 3. Coloque la lente 2, cuya distancia focal se desea medir, interceptando los rayos que salen de la lente 1.

4. Ubique con la pantalla, la posición del foco. La distancia lente 2 – pantalla será la distancia focal de esta lente. 5. ¿Cuál es la distancia focal de la lente 2? Si puede, determine el porcentaje de error de su medida. III. DETERMINACIÓN DE LA DISTANCIA FOCAL DE UNA LENTE DIVERGENTE. NO MIRE DIRECTAMENTE LA LUZ DEL LÁSER NI LO DIRIJA HACIA OTRA PERSONA

1. Verifique que sobre la pantalla se observa un círculo de luz que aumenta de diámetro a medida que usted aleja la pantalla de la fuente. 2. Ubique la pantalla cerca de la lente. Dibuje cuidadosamente el contorno del círculo y mida la distancia entre la lente y la pantalla. 3. Cambie de posición la pantalla y repita lo anterior varias veces. 4. Saque la hoja de la pantalla y mida el diámetro de cada círculo 5. Haga un gráfico distancia v/s diámetro y ajuste a una recta. Copie la ecuación de ajuste. El intercepto de esta ecuación corresponde a la distancia focal de la lente. ¿Cuál es la distancia focal de la lente que usó?

EXPERIMENTO DE MELDE. ONDAS ESTACIONARIAS OBJETIVO  

Usando ondas estacionarias, medir la frecuencia de oscilación de un vibrador. Verificar que las notas emitidas por los tubos de la zampoña son los que aparecen en la figura. MARCO TEÓRICO En el montaje de la figura, se producen ondas estacionarias sólo para algunas longitudes de onda de la cuerda entre el vibrador y la polea. La velocidad V de la onda en la cuerda está dada por: (1)

donde T es la tensión aplicada y μ es la densidad lineal medida en Kg/m.

Cuando se tiene la distancia entre dos nodos consecutivos, se puede determinar la longitud de onda por la expresión: (2) Actividad Nº 1 PROCEDIMIENTO 1. Suspenda una masa de 50 g y genere ondas estacionarias en la cuerda. Pruebe con los niveles 3 ó 4 del motor. 2. Describa con un esquema lo que observa.

3. Mida la separación entre dos nodos consecutivos (d). 4. Repita lo anterior para varias masas hasta completar la tabla 1. 5. Calcule la longitud de onda λ con los datos anteriores y la ecuación (2). 6. Mida la masa y la longitud de la cuerda para determinar la densidad lineal μ de la cuerda. Los extremos no son nodos verdaderos, por lo tanto no deben considerarse para la medición. 7. Determine la velocidad usando la ecuación 1 de la teoría. 8. Grafique velocidad (V) v/s longitud de onda (λ) ajuste a una recta y escriba la ecuación de ajuste. 9. ¿Qué representa la pendiente? 10.¿Qué valor tiene la frecuencia  del motor? Actividad Nº 2 Procedimiento Mida la longitud de cada tubo y determine la frecuencia correspondiente utilizando la ecuación: con V = 343 m/s la velocidad del sonido en el aire y  la frecuencia en Hz. 2. Compare los valores obtenidos correspondientes a las notas que aparecen en la tabla. 3. Evalúe el error de su medida.

ESCALA EQUI-TEMPERADA

DIFRACCIÓN DE LA LUZ OBJETIVO  

Determinar la longitud de onda de la luz proveniente de una lámpara. Determinar la longitud de onda de la luz proveniente de un láser.

PRECAUCIONES. La red de difracción es muy delicada. Evite tocar su superficie Trabaje con la menor cantidad de luz ambiente posible para conseguir una mejor imagen.  No toque los terminales de la lámpara mientras está encendida.  

MARCO TEÓRICO Un espectrómetro de red tiene tres componentes básicos: un colimador que es el encargado de proyectar un haz de luz paralelo sobre la red. La red que difracta la luz y el telescopio que permite observar la luz proveniente de la lámpara. Si la luz está compuesta de varios colores, se formará un espectro, pues los diferentes colores se difractarán a diferentes ángulos. Una medición cuidadosa de los ángulos de deflexión para cada color es una “huella digital” espectral que transporta una gran información acerca de la sustancia que emite luz. El ángulo de difracción ϴ, se mide con respecto de la posición inicial del haz. Esta medición permite determinar la longitud de onda de la luz mediante la siguiente relación: El valor a corresponde a la distancia entre las líneas de la red de difracción. Numéricamente es el recíproco de las líneas por metro, milímetro o pulgadas que trae marcada la red, por ejemplo si la red tiene 600 líneas por mm, a = 1/600. El valor de m es el orden del espectro observado (m = 1, 2, 3…). Como fuente luminosa se usarán una lámpara de hidrógeno o helio según corresponda.

PROCEDIMIENTO. I. LONGITUD DE ONDA DE UNA LÁMPARA. 1. Coloque la lámpara frente al colimador. Asegúrese que la red esté perpendicular al colimador y enfoque la rendija mediante el telescopio. Ajuste el ancho de la rendija de modo tal que se vea nítida y centrada. Mida cuidadosamente el ángulo 0. Este valor corresponderá al cero, es decir, a la ubicación del haz sin desviación. 2. Gire el telescopio hasta encontrar la primera línea (color) del espectro. Mida el ángulo  correspondiente a ese color. Repita para los demás colores de la lámpara. 3. Determine el valor de a y complete una tabla como la siguiente: Color

º

 (m)

4. Compare el valor obtenido con el teórico. ¿Qué margen de error tiene el valor obtenido? II. LONGITUD DE ONDA DE UN LÁSER. 1. Arme el siguiente montaje utilizando el banco óptico.

2. Registre el valor de a de la red utilizada. 3. Haga incidir el láser sobre la red de difracción, asegurándose que la red y la pantalla sean perpendiculares a él. 4. Ubique sobre la pantalla el máximo central y los máximos secundarios. 5. Mida las distancias entre la red y la pantalla (Y) y entre el máximo central con el primer máximo (X). Ver figura 2. 6. Con las medidas anteriores determine el ángulo . ver figura 3.

7. Determine el valor de la longitud de onda del láser. 8. Compare el valor obtenido con el teórico. ¿Qué margen de error porcentual se obtiene?

COMO LEER LOS ANGULOS EN EL ESPECTRÓMETRO. Para leer los ángulos en las escalas, encuentre primero donde se alinea el punto cero de la escala del vernier con la placa graduada y registre ese valor. Si está entre dos líneas, escriba el valor más bajo. En la figura, el punto cero se encuentra entre las marcas 172° 20´ y 172° 40´, el valor que debe registrarse debe ser el más bajo, 172° 20´. Enseguida, con la lupa, busque en el vernier la línea que se aproxima más a cualquiera de las líneas de la placa graduada. En la figura, corresponde a 12´ 30” de arco. Agregue éste valor a la lectura anterior, es decir: 172° 20´+ 12´30” = 172° 32´30”

Sobre el informe

Luego de cada actividad realizada en el laboratorio, cada grupo de trabajo elaborará un informe que será entregado al inicio de la sesión siguiente. El informe debe contener al menos lo siguiente: 1. Un encabezado o título y la fecha, además de los objetivos de la actividad. 2. Breve relación (no más de media página) del marco teórico en el que se fundamenta el experimento 3. Un relato claro y completo de la forma en que se realizó el experimento. Puede incluirse en este punto cuando corresponda, una breve descripción y un esquema sencillo del equipamiento usado. 4. Un registro de los datos obtenidos. También los cálculos y gráficas realizadas. Nunca deje de registrar las unidades en las cuales se haya medido una magnitud. 5. Las conclusiones y comentarios que el grupo tenga sobre el trabajo realizado, sobre los datos obtenidos, etc. 6. La bibliografía utilizada en la confección del informe. 7. Ponderación: Objetivos, presentación, bibliografía: 10% Marco teórico: 15% Relato: 25% Resultados (datos, cálculos, gráficas): 25% Conclusiones: 25%

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 1. Guzmán V, Margarita; Avalos V, Karina; Pulgar V, Geraldo: “Guías de laboratorio de Física I, II para pedagogía y ciencias, Universidad de La Serena, 2004 2005. 2. Pulgar V, Geraldo; “Laboratorio de Biofísica para Ciencias Biológicas”, Universidad de la Serena, 2004. 3. Serway, “Física”, Vol. 1., Edición 2001. 4. C.B.Daish, D.H.Fender, “Física Experimental”, edit. Hispanoamericana,1964.