Ondas

Estudio de Ondas Pr´ acticas de Laboratorio acticas R´ onald onald Rivas Su´ arez arez 1 de noviembre de 2010

´ Indice 1. Experimen Experimento: to: Reflexi´ Reflexi´ on on

2

1.1. 1.1. 1.2.. 1.2 1.3. 1.4.. 1.4

Prop´ Prop´ osito . . . . . . . . . . . . osito Teor´´ıa . . . . . . . . . . . . . . Teor Preparaci´ Prepa raci´ on . . . . . . . . . . . on Reflexi Refl exi´ oń con una barrera recta on 1.4.1. Procedi Procedimien miento to . . . . . 1.4. 1. 4.2. 2. An An´ a´lisis de Datos . . . . alisis 1.4.3. 1.4 .3. Pre Pregun guntas tas . . . . . . . . 1.5.. Refl 1.5 Reflexi exi´ oń con una barrera curva on 1.5.1. Procedi Procedimien miento to . . . . . 1.5. 1. 5.2. 2. An An´ a´lisis de Datos . . . . alisis 1.5.3. 1.5 .3. Pre Pregun guntas tas . . . . . . . . 1.5.4. 1.5 .4. Ext Extens ensi´ i´ on . . . . . . . . on

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2. Experimen Experimento: to: Refracci´ Refracci´ on on

6

2.1. 2.1. 2.2.. 2.2 2.3. 2.4.. 2.4

Prop´ Prop´ osito . . . . . . . . . . . . . . osito Teor´´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . Teor Preparaci´ Prepa raci´ on . . . . . . . . . . . . . on Refrac Ref racci´ ci´ on con una barrera recta . on 2.4.1. Procedi Procedimien miento to . . . . . . . 2.4. 2. 4.2. 2. An An´ a´lisis de Datos . . . . . . alisis 2.4.3. 2.4 .3. Pre Pregun guntas tas . . . . . . . . . . 2.5.. Ref 2.5 Refrac racci´ ci´ on con una barreras curvas on 2.5.1. Procedi Procedimien miento to . . . . . . . 2.5. 2. 5.2. 2. An An´ a´lisis de Datos . . . . . . alisis 2.5.3. 2.5 .3. Pre Pregun guntas tas . . . . . . . . . .

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3. Experimen Experimento: to: Difracci´ Difracci´ on on

3.1. 3.1. 3.2.. 3.2 3.3. 3.4.. 3.4

Prop´ Prop´ osito . . . . . . . . . . . osito Teor´´ıa . . . . . . . . . . . . . Teor Preparaci´ Prepa raci´ on . . . . . . . . . . on Difracc Difr acci´ i´ on con barreras rectas on 3.4.1. Procedi Procedimien miento to . . . . 3.4.2. 3.4 .2. Pre Pregun guntas tas . . . . . . . 3.5.. Difr 3.5 Difracc acci´ i´ on por objet on objetoo sólido olido . 3.5.1. Procedi Procedimien miento to . . . . 3.5.2. 3.5 .2. Pre Pregun guntas tas . . . . . . .

2 2 2 3 3 3 4 4 4 4 4 5 6 6 6 7 7 7 8 8 8 8 8 9

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9 9 9 10 10 10 11 11 11

Acerca de los experimentos Estos experimentos experimentos se pueden pueden hacer con el equipamien equipamiento to incluido incluido en el sistema sistema y otros art´ art´ıculos como un transportador de ángulos, angulos, compás as de dibujo, y papel. Consulta cada experimento para la lista espec´ıfica ıfica de equipos. equip os. Experimento 1: Reflexi´ on. on. Estudio de la reflexión on de ondas planas por barreras rectas y curvas. Experimento 2: Refracci´ on. on. Estudiar c´ omo las ondas planas se curvan cuando pasan de un omo

medio a otro en el que la velocidad de onda es diferente. Experimento 3: Difracci´ on. on. Determinar la forma en que el patrón de difracci´ on on de ondas planas planas

cambia al modficar el ancho de la ranura de las barreras y la longitud de onda.

1.

Experi Experime men nto: Reflex Reflexi´ i´ on on Equipos para el tanque de Ondas

Tanque de Ondas Barrera Recta Larga Barrera Curva

Generador de ondas y fuente de luz Cabezal de onda plana Regla

Otros equipos y materiales

Soporte Papel (aprox. 40 cm

1.1. 1.1.

Compás as ×

40 cm)

Prop roposito o ´sito

El propósito osito de esta actividad es el estudio de la reflexión de una onda plana debido a barreras de diferentes forma: una barrera recta (larga) y una barrera curva.

1.2.

Teor´ eor´ıa

Un rayo es una l´ınea ınea que indica in dica la l a direcci´ dire cción on del movimiento de una onda plana. Los frentes de onda son perpendiculares a los rayos. Cuando una onda se refleja en una superficie, el ángulo de incidencia es el ángulo angulo entre el rayo de entrada (o incidente) y la l´ınea ınea normal (perpendicular (p erpendicular a la superficie). El angulo ángulo de reflexión on es el ángulo angulo entre el rayo de salida (reflejado) y la normal. Podemos ver la definición de los ángulos angulos en la Fig. 1 Frente de Onda Normal

Rayo Incidente

θ i

θ r

Rayo Reflejad

Figura Figura 1: Definici´ Definici´ on on de ángulos angulos

1.3. 1.3.

Prep Prepar arac aci´ i´ on on

1. Vierta una pequeña na cantidad de agua en el tanque y ajuste las patas del tanque hasta nivelarlo. 2. Monte Monte la fuente de luz en su barra en el borde posterior de la cubeta de ondas. 3. Coloque la barrera barrera recta larga en medio del depósito osito y a˜ nada unos 800 ml de agua al tanque (o nada el agua suficiente para que el nivel del agua sea aproximadamente la mitad de la barrera recta larga). 4. Utilice una varilla con base para apoyar apoyar el generador de onda en una posición on alrededor del punto medio de uno de los lados de la cubeta de ondas. Conecte la fuente de luz en el generador de ondas y con su adaptador de corriente.

S ugerencia:

Aseg´ urese urese que el cabe cabeza zall de onda plana est´ a en contacto con el agua uniformemente a lo largo de su longitud.

5. Conecte Conecte el cabezal de onda plana a los brazos del generador. generador. Ajuste el cabezal de onda hasta que su parte de abajo aba jo apenas ap enas esté en contacto con la superficie del agua. 6. Coloque una hoja de papel directamente debajo de la cubeta de ondas para ser capaces de esbozar las imágenes agenes de las ondas que se proyectan en la hoja por la fuente de luz.

1.4. 1.4. 1.4.1. 1.4.1.

Refle Reflexi xi´ o on ń con una barrera recta Procedi Procedimien miento to

1. Colocar la barrera barrera en el centro centro del tanque de modo que se encuentre encuentre formando formando un ángulo con el cabezal cabezal ondas planas (ver Figura 2).

Figura 2: Posici´ Posici´ on on de la Barrera Recta 2. Encienda el generador de onda y la fuente de luz. Ajuste la luz fuente a ‘STROBE’. Ajuste el generador de ondas a una frecuencia de 20 Hz, por ejemplo. Ajuste la amplitud a un poco menos de la mitad del máximo. aximo. 3. En el papel debajo del tanque, coloque coloque la regla paralela paralela al plano de las ondas que inciden inciden sobre la barrera. Haga una l´ınea para mostrar la dirección on del frente de onda incidente. 4. Coloque la regla paralela al frente de las ondas reflejadas y otra vez haga una l´ınea para mostrar la dirección on del frente de onda reflejado. 5. Trace la posici´ on on de la barrera. 6. Apague Apague el generador de ondas y fuente fuente de luz. 1.4. 1.4.2. 2.

An´ alisis de Datos

1. Extienda la l´ınea ınea del frente f rente de onda incidente, de forma que se cruce con el contorno de la barrera recta. Esto representa el rayo incidente, por lo que podemos dibujar una flecha que apunte a la barrera. 2. Dibuje una l´ınea paralela a la l´ınea del frente de ondas reflejado, que cruce la barrera en el mismo punto donde se cruza con la l´ınea del rayo incidente (punto de reflexión). on). 3. Dibuje la l´ınea normal (perpendicular) (p erpendicular) a la barrera recta. Esta l´ınea tambi´ también en debe pasar por el punto de reflexión. on. 4. Mida el ángulo angulo de incidencia (θi ) y el ángulo angulo de reflexión on (θr ) y registre las mediciones en la tabla 1. 5. Repita Repita el procedimien procedimiento to con la barrera en un ángulo diferente.

N ota:

El agua parece una curva ascendente en los lados del cabezal cabezal de onda.

Prue Prueba ba # 1

Prue Prueba ba # 2

´ Angulo Incidente (θi ) ´ Angulo Reflejado Reflejado (θr ) Cuadro 1: Resultado Resultado del expermient expermientoo de Reflexi´ Reflexión on

1.4.3. 1.4.3.

Pregun Preguntas tas

1. ¿Cu´ al al es la relación on entre θi y θr ?

1.5. 1.5. 1.5.1. 1.5.1.

Refle Reflexi xi´ o on ń con una barrera curva Procedi Procedimien miento to

1. Sustituy Sustituyaa la barrera recta con una barrera barrera curva, curva, colocándola andola para que se alinee “Paralela” al frente de onda plana (ver Figura 3).

Figura 3: Posici´ Posici´ on on de la Barrera Curva

2. Encienda Encienda la fuente de luz. Trace Trace la posición on de la barrera curva en el papel por debajo del tanque de ondas. 3. Encienda Encienda el generador generador de onda. 4. Marque la posición on en el papel donde las ondas reflejadas de la barrera curva parece que convergen. Apague el generador de ondas. 5. Use una pipeta para dejar dejar caer una sola gota de agua en la posición on en la cubeta de ondas donde las ondas convergen. Describa la forma de las ondas que refleja la barrera curva. 1.5. 1.5.2. 2.


1. Utilice Utilice un comp´ compás as para completar el trazado circular de la forma de la barrera curva. Marque el centro del de l c´ırculo ırculo y mida mid a el radio. 1.5.3. 1.5.3.


1. ¿Cuál al es la forma de los frentes de onda reflejados desde la barrera curva cuando se dejó caer la gota de agua en la cubeta de ondas? 2. ¿C´ omo omo es el radio del c´ırculo relacionado con la distancia entre la barrera curva y el punto en el que convergen las ondas planas?

1.5.4. 1.5.4.

Exte Ex tens nsi´ i´ on on

Gire la barrera curva 180 para “invertir” la curva, como se muestra en Figura 4. ◦

Figura 4: Posici´ Posici´ on on de la Barrera Curva Repita el procedimiento anterior, pero trazando la forma de las ondas reflejadas, as´ı como el esquema de la barrera curva. Después es de esbozar las ondas reflejadas, saca al menos tres rayos perpendiculares a las ondas reflejadas. Ampl´ıa ıa los rayos rayos hasta que se crucen y marca el punto de intersección. Mide la distancia desde el contorno de la barrera curva hasta el punto de intersección, y compara esta distancia al radio de la forma circular de trazado de la barrera curva.

2.

Experi Experime men nto: Refr Refrac acci ci´ on ´ on Equipos para el tanque de Ondas

Tanque de Ondas Refractor Trapezoidal Refractor Cóncavo Refractor Cónvexo onvexo



Soporte

2.1. 2.1.

Papel (aprox. 40 cm

×

40 cm)


El propósito osito de esta actividad es mostrar cómo omo las ondas cambian de dirección on al pasar de una región on a otra con velocidad de onda diferente.

2.2.

Teor´ eor´ıa

Cuando una onda viaja de un medio a otro donde la velocidad de onda es diferente, el frente de onda se dobla a una nueva dirección. on. Si la onda reduce la velocidad, la onda se dobla hacia la normal de la interfaz entre un medio y el otro como se muestra en la Figura 5. Este flexión on se denomina refracci´ on. on. Medio # 1

Interface

Medio # 2

Figura Figura 5: Refracci´ Refracci´ on entre el medio # 1 y # 2 on

2.3. 2.3.


1. Vierta una pequeña na cantidad de agua en el tanque y ajuste las patas del tanque hasta nivelarlo.

S ugerencia:

4. Utilice una varilla con base para apoyar apoyar el generador de onda en una posición on alrededor del punto medio de uno de los lados de la cubeta de ondas. Conecte la fuente de luz en el generador de ondas y con su adaptador de corriente.

Aseg´ urese urese que el cabe cabeza zall de onda plana est´ a en contacto con el agua uniformemente a lo largo de su longitud.

5. Conecte Conecte el cabezal de onda plana a los brazos del generador. generador. Ajuste el cabezal de onda hasta que su parte de abajo aba jo apenas ap enas esté en contacto con la superficie del agua.

N ota:

2. Monte Monte la fuente de luz en su barra en el borde posterior de la cubeta de ondas. 3. Coloque el refractor refractor trapezoidal trapezoidal en el centro de la cubeta y a ñada nada unos 700 ml de agua, o agua suficiente para que el nivel del agua está en el borde superior del refractor.


6. Coloque una hoja de papel directamente debajo de la cubeta de ondas para ser capaces de esbozar las imágenes agenes de las ondas que se proyectan en la hoja por la fuente de luz.

2.4. 2.4. 2.4.1. 2.4.1.

Refr Refrac acci ci´ o on ń con una barrera recta Procedi Procedimien miento to

1. Colocar el refractor trapezoidal en el agua en el centro del tanque para que el extremo extremo rectangular del refractor sea paralelo al cabezal de onda plana y esté a 5 cm del mismo (ver Figura 6).

Figura Figura 6: Posici´ Posici´ on del Refractor Trapezoidal on

2. Agregue suficiente agua al tanque para que el refractor esté uniformemente cubierto por menos de 1 mm de agua. 3. Encienda el generador de onda y la fuente de luz. Ajuste la luz fuente a ‘STROBE’. Ajuste el generador de ondas a una frecuencia de 15 Hz o menos. Ajuste la amplitud a un poco menos de la mitad del máximo, aximo, y realice el resto de los ajustes necesarios para que el patrón on de ondas planas planas sea claro. 4. En el papel debajo del tanque, tanque, trace el contorno contorno de la forma del refractor refractor trapezoidal. trapezoidal. 5. Coloque la regla paralela paralela al frente frente de ondas que entran al refractor. refractor. Dibuje un boceto de l´ıneas para mostrar el resultado de los frentes de onda de entrada. 6. En el esquema del refractor, refractor, traza la forma de las ondas refractada refractadass para mostrar el resultado resultado de la flexión on de las ondas cuando viajan por el refractor. 7. Despu´ es es de dibujar las olas, invierta el refractor trapezoidal para que la punta triangular apunte hacia el cabezal de onda plana y repita el procemiento. 8. Apague Apague el generador de onda y la fuente de luz. 2.4. 2.4.2. 2.


1. Trace una l´ınea perpendicular p erpendicular al frente de onda de entrada y exti´ endala endala hasta el contorno del refractor trapezoidal. Esto representa el rayo incidente, por lo que podemos dibujar una flecha que apunte al refractor. 2. En el punto punto donde la l´ınea que represent representaa el rayo rayo incidente incidente coincide el perfil de la refractor refractor,, dibujar una nueva nueva l´ınea ınea que sea perpendicular perp endicular a los frentes de onda de la refracción de ondas a medida que pasan sobre el refractor de forma trapezoidal.

2.4.3. 2.4.3.


1. ¿Qu´ e sucede con la dirección on del frente de onda cuando se mueve sobre el refractor trapezoidal? 2. A medida que la onda plana se mueve de aguas profundas hacia el agua más superficial por el refractor, ¿la onda plana acelera o frena?

2.5. 2.5. 2.5.1. 2.5.1.

Refr Refrac acci ci´ o on ń con una barreras curvas Procedi Procedimien miento to

1. Sustituy Sustituyaa el refractor refractor trapezoidal trapezoidal por el refractor convexo, convexo, colocado en la mitad del tanque con el lado paralelo paralelo al cabezal de onda plana y est´ esté a 5 cm del mismo (ver Figura 7).

Figura Figura 7: Posici´ Posici´ on del Refractor Trapezoidal on

2. Encienda el generador de onda y la fuente de luz, y trace el contorno de la forma del refractor convexo. 3. Trace el patr´ patrón on de ondas planas al pasar la onda incidente sobre el refractor convexo. 4. Utilice Utilice la regla para medir medir la distancia distancia focal del lente convexo. convexo. Esta es la distancia distancia del centro centro de la lente al punto donde las ondas planas refractadas parecen converger (llegar a un foco). 5. Reemplace el refractor convexo con el refractor cóncavo y trace el nuevo patrón de las ondas planas a medida que avanzan desde el cabezal sobre el refractor. 6. Apague Apague el generador de onda y la fuente de luz. 2.5. 2.5.2. 2.


1. Utilic Utilicee la regla regla para para dibuja dibujarr tres tres rayo rayoss que represen representen ten la direcc direcci´ ión on del mo movim vimien iento to de tres tres secciones de la onda plana a medida que pasa sobre la refracción on convexa. Dibuje un rayo de los frentes de onda que se mueven sobre el tercio superior del refractor convexo; dibuje un segundo rayo de los frentes de onda que se mueven sobre el centro del refractor, y dibuje un tercer rayo de los frentes de onda que se mueven sobre la tercio inferior del refractor. 2. Repita Repita el trazado trazado de rayos rayos para el patr´ on de onda de las ondas que se mueven sobre la refractor on c´ oncavo. oncavo.

2.5.3. 2.5.3.


1. ¿Qu´ e sucede con la dirección on del frente de onda cuando se mueve sobre el refractor convexo? 2. ¿Las ondas ondas de refracci´ on on del refractor cóncavo oncavo parecen converger o diverger?

3.

Experi Experime men nto: Difr Difrac acci ci´ on o ń Equipos para el tanque de Ondas

Tanque de Ondas Barrera Larga (2) Mini Barrera



Soporte

3.1. 3.1.

Papel (aprox. 40 cm

×

40 cm)


El propósito osito de esta actividad es determinar cómo el patrón on de difracción on de ondas planas cambia con la anchura de la rendija (diferencia entre las barreras), y los cambios de longitud de onda.

3.2.

Teor´ eor´ıa

Cuando un frente de onda plano pasa a través es de un hueco o abertura en una barrera, cada punto del frente de onda que se mueve a través es de la rendija genera un frente de onda circular. Si la brecha o hendidura es grande en relación on la longitud de onda, los frentes de onda circular se combinan para formar un nuevo frente de onda plano. Si la brecha o hendidura es pequeña en relación on a la longitud de onda, la parte parte del frente de onda que se mueve a trav´ trav´ es es de la brecha brecha se parece parece menos a una onda plana y más as a una onda circular. La propagación on de una onda circular, creada a partir de un frente de onda que se mueve a trav´ es es de una rendija, como se muestra en la Figura 8 se llama difracci´ on. on.

Figura 8: Difracci´ Difracci´ on on

3.3. 3.3.


1. Vierta una pequeña na cantidad de agua en el tanque y ajuste las patas del tanque hasta nivelarlo. 2. Monte Monte la fuente de luz en su barra en el borde posterior de la cubeta de ondas. 3. Coloque la barrera recta larga en el centro de la cubeta y añada unos 800 ml de agua, o agua suficiente para que el nivel del agua est´ e en la mitad de la barrera. 4. Utilice una varilla con base para apoyar apoyar el generador de onda en una posición on alrededor del punto medio de uno de los lados de la cubeta de ondas. Conecte la fuente de luz en el generador de ondas y con su adaptador de corriente.

S ugerencia: Aseg´ urese urese que el cabe cabeza zall de onda plana est´ a en contacto con el agua uniformemente a lo largo de su longitud.

5. Conecte Conecte el cabezal de onda plana a los brazos del generador. generador. Ajuste el cabezal de onda hasta que su parte de abajo aba jo apenas ap enas esté en contacto con la superficie del agua. 6. Coloque una hoja de papel directamente debajo de la cubeta de ondas para ser capaces de esbozar las imágenes agenes de las ondas que se proyectan en la hoja por la fuente de luz.

3.4. 3.4. 3.4.1. 3.4.1.

Difr Difrac acci ci´ o on ń con barreras rectas Procedi Procedimien miento to

1. Colocar las dos barreras barreras rectas largas, separadas separadas unos 3 cm de distancia, distancia, y paralelas paralelas al cabezal de onda plana, a unos 5 cm del mismo (ver Figura 9).

Figura 9: Posici´ Posici´ on on de las barreras

2. Encienda el generador de onda y la fuente de luz. Ajuste la luz fuente a ‘STROBE’. Ajuste el generador de ondas a una frecuencia de 15 Hz o menos. Ajuste la amplitud a un poco menos de la mitad del máximo, aximo, y realice el resto de los ajustes necesarios para que el patrón on de ondas planas planas sea claro. 3. En el papel debajo del tanque, tanque, trace el contorno contorno de las barreras. barreras. 4. Bosqueje los frentes de onda y los rayos que representan las ondas que se extienden a su paso por la brecha entre las barreras. 5. Cambie el ancho de la brecha a unos 1 ,5 cm de distancia. 6. Dibuje nueva nuevamen mente te los frentes frentes y ondas que pasan por la brecha. 7. Manteniendo el nuevo nuevo ancho de la brecha, aumente la frecuencia del generador de ondas y observe el resultado (bosquejelo en las hojas de nuevo). 8. Apague Apague el generador de onda y la fuente de luz. 3.4.2. 3.4.2.


1. ¿Es el ángulo angulo de difracción on (propagación) on) de la rendija estrecha (1 ,5 cm) más as o menos que el ángulo de la abertura más angulo as amplio (3 cm)? 2. ¿Cómo omo el aumento de la frecuencia afecta a la longitud de onda? 3. ¿Cómo omo el aumento de la frecuencia afecta el ángulo angulo de propagación on (cantidad de difracción)? on)?

N ota:


3.5. 3.5. 3.5.1. 3.5.1.

Difr Difrac acci ci´ on o ń por objeto s´ olido olido Procedi Procedimien miento to

1. Sustituy Sustituya a las dos barreras barreras por la mini barrera, en el espacio espacio donde estaba la brecha. brecha. 2. Bosqueje los frentes de onda y los rayos que representan las ondas que se extienden a su paso por la mini barrera. 3. Var´ ar´ıe la frecuencia del generador de ondas y observe el resultado, bosquejándolo en el papel. 4. Apague Apague el generador de onda y la fuente de luz. 3.5.2. 3.5.2.


1. ¿Qu´ ¿Qué pasa con los frentes frentes de onda plano a medida medida que pasan por la mini barrera? barrera? 2. ¿Cómo omo el cambio de la frecuencia afecta a los frentes de onda?

Permisos Permi sos y Cr´ editos edi tos Versi´ on on traducida de

Ripple-Generator-and-Light-Source-Manual-WA-9896 Derechos de Autor: The PASCO scientific 012-09956A Ripple Tank System Instruction Manual and Experiment Guide

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Ann Hanks Jon Hanks Dave Griffith Traducci´ on: on:

R´ onald onald Rivas Suárez arez [email protected] UNEFM. Venezuela Traducción on realizada con ayuda de Google Traductor

Ondas

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