colegio franciscano agustín gemelli

COLEGIO FRANCISCANO AGUSTÍN
GEMELLI
AREA: CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL
“LOADO SEAS MI SEÑOR POR LA HERMANA MADRE TIERRA Y POR
TODOS LOS SERES QUE EN ELLA HABITAN. ASÍ SE LOGRARA UN FELIZ
Y BELLO HABITAR EN EL MUNDO”.
“SAN FRÁNCISCO DE ASÍS”
FISICA
GRADO NOVENO
2012
PGF03-R03
INTRODUCCIÓN
La física es la ciencia que se ocupa de los componentes del Universo, de las fuerzas que
estos ejercen entre sí y de los efectos de dichas fuerzas.
Esta ciencia está estrechamente relacionada con las demás ramas de las Ciencias
Naturales, y en cierto modo las engloba a todas. La química, por ejemplo, se ocupa de la
interacción de los átomos para formar moléculas; gran parte de la geología moderna es en
esencia un estudio de la Física de la Tierra y se conoce como geofísica, la astronomía trata
del estudio de las estrellas y del espacio exterior. Incluso los sistemas vivos están
constituidos por partículas fundamentales que siguen el mismo tipo de leyes que las
partículas más sencillas estudiadas tradicionalmente por los físicos.
Hasta principios del siglo XIX, era frecuente que los físicos fueran al mismo tiempo
matemáticos, filósofos, químicos, biólogos o ingenieros. Los físicos modernos tienen que
limitar su atención a una o dos ramas de su ciencia.
El hombre, para facilitar el estudio de la ciencia ha creído conveniente dividirlas en varias
ramas, y esto es enteramente convencional. La palabra Física proviene del término griego
“physis” que significa “Naturaleza”, por lo tanto, la Física podría ser la ciencia que se dedica a
estudiar los fenómenos naturales; este fue el enfoque de la Física hasta principios del siglo
XIX con el nombre de ese entonces “Filosofía Natural”. A partir del siglo XIX se redujo al
campo de la Física, limitándola al estudio de los llamados “Fenómenos Físicos”, los demás
se separaron de ella y pasaron a formar parte de otras ciencias naturales.
Es innegable que el estudio de la Física involucra la experimentación del fenómeno y la
cuantificación del mismo, por eso es importante combinar la teoría, con ayuda de las clases
dictadas por los profesores o la bibliografía de los diversos libros del curso y la práctica o
experimento del fenómeno en estudio; pues así lo hicieron los grandes científicos como
Arquímedes, Galileo, Newton, Einstein entre otros.
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TABLA DE CONTENIDO
UNIDAD UNO: EL MOVIMIENTO ONDULATORIO ................................................................ 5
LECTURA AFECTIVA............................................................................................................... 6
EL MOVIMIENTO ONDULATORIO .......................................................................................... 9
ELEMENTOS DE UNA ONDA............................................................................................. 10
UNIDAD DOS: FENOMENO ONDULATORIO ....................................................................... 14
ORIGEN .............................................................................................................................. 15
FENÓMENO ONDULATORIO ................................................................................................ 18
REFLEXIÓN ........................................................................................................................ 19
REFRACCIÓN ..................................................................................................................... 20
DIFRACCIÓN ...................................................................................................................... 20
INTERFERENCIA................................................................................................................ 20
POLARIZACIÓN .................................................................................................................. 21
PRACTICA DE LABORATORIO ............................................................................................. 23
UNIDAD TRES: ÓPTICA........................................................................................................ 26
LECTURA AFECTIVA............................................................................................................. 27
ÓPTICA .................................................................................................................................. 30
PROPAGACIÓN DE LA LUZ .................................................................................................. 32
REFLEXION DE LA LUZ ..................................................................................................... 33
REFRACCION DE LA LUZ .................................................................................................. 34
DISPERSION DE LA LUZ ................................................................................................... 36
ESPEJOS ............................................................................................................................... 40
ELEMENTOS DE UN ESPEJO ESFÉRICO ........................................................................ 40
RAYOS NOTABLES EN UN ESPEJO CONCAVO.............................................................. 42
CONSTRUCCIÓN DE IMÁGENES: MÉTODO GRÁFICO................................................... 42
EN UN ESPEJO CÓNCAVO ............................................................................................... 43
EN UN ESPEJO CÓNVEXO ............................................................................................... 44
FORMULAS DE LOS ESPEJOS ESFERICO ..................................................................... 45
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LENTES .................................................................................................................................. 47
CLASES DE LENTES ......................................................................................................... 47
ELEMENTOS DE UNA LENTE ........................................................................................... 48
PRACTICA DE LABORATORIO ............................................................................................. 50
UNIDAD CUATRO: EL SONIDO ............................................................................................ 52
LECTURA AFECTIVA............................................................................................................. 53
EL SONIDO ............................................................................................................................ 56
PROPAGACIÓN DEL SONIDO .............................................................................................. 56
NATURALEZA DEL SONIDO .............................................................................................. 56
EL SONIDO COMO ONDA MECÁNICA .............................................................................. 57
EL SONIDO COMO ONDA LONGITUDINAL ...................................................................... 57
EL SONIDO COMO ONDA ESFÉRICA ............................................................................... 57
VELOCIDAD DEL SONIDO ................................................................................................. 58
FENÓMENOS FÍSICOS QUE AFECTAN A LA PROPAGACIÓN DEL SONIDO.................... 61
CUALIDADES DEL SONIDO .................................................................................................. 62
EFECTO DOPPLER ............................................................................................................... 63
CUERDAS SONORAS ........................................................................................................... 68
TUBOS SONOROS ................................................................................................................ 70
AUDICIÓN .............................................................................................................................. 74
RECEPECION DEL SONIDO .............................................................................................. 74
MICROFONO ...................................................................................................................... 75
PRACTICA DE LABORATORIO ............................................................................................. 76
BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................... 79
WEB GRAFÍA ......................................................................................................................... 79
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UNIDAD UNO: EL MOVIMIENTO
ONDULATORIO
PROPÓSITO
Apropiar el concepto de onda y los criterios básicos del Movimiento Ondulatorio y desarrollar
prácticas de laboratorio para apreciar los fundamentos de dicho fenómeno.
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LECTURA AFECTIVA
En física, la mecánica cuántica (conocida también como mecánica ondulatoria o como
física cuántica) es una de las ramas principales de la física que explica el comportamiento
de la materia. Su campo de aplicación pretende ser universal, pero es en lo pequeño donde
sus predicciones divergen radicalmente de la llamada física clásica.
La mecánica cuántica es la última de las grandes ramas de la física y comienza a principios
del siglo XX, en el momento en el que las dos teorías que intentaban explicar lo que nos
rodea comenzaban a hacer aguas: la ley de gravitación universal y la teoría electromagnética
clásica. La teoría electromagnética generaba un problema cuando intentaba explicar la
emisión de radiación de cualquier objeto en equilibrio, llamada radiación térmica, que es la
que proviene de la vibración microscópica de las partículas que lo componen. Pues bien,
usando las ecuaciones de la electrodinámica clásica, la energía que emitía esta radiación
térmica daba infinito si se suman todas las frecuencias que emitía el objeto, con ilógico
resultado para los físicos.
Es en el seno de la mecánica estadística es donde nacen las ideas cuánticas en 1900. Louis
de Broglie propuso que cada partícula material tiene una longitud de onda, asociada
inversamente proporcional a su masa, (le llamó momentum), y dada por su velocidad.
La teoría cuántica fue desarrollada en su forma básica a lo largo de la primera mitad del siglo
XX. El hecho de que la energía se intercambie de forma discreta se puso de relieve por
hechos experimentales como los siguientes, inexplicables con las herramientas teóricas
"anteriores" de la mecánica clásica o la electrodinámica:
Bajo ciertas condiciones experimentales, los objetos microscópicos como los átomos o
los electrones exhiben un comportamiento ondulatorio, como en la interferencia. Bajo
otras condiciones, las mismas especies de objetos exhiben un comportamiento
corpuscular, de partícula, ("partícula" quiere decir un objeto que puede ser localizado
en una región especial del Espacio), como en la dispersión de partículas. Este
fenómeno se conoce como dualidad onda-partícula.
Las suposiciones más importantes de esta teoría son las siguientes:
La energía no se intercambia de forma continua, sino que en todo intercambio
energético hay una cantidad mínima involucrada, es decir un cuanto (cuantización de
la energía).
Al ser imposible fijar a la vez la posición y el momento de una partícula, se renuncia al
concepto de trayectoria, vital en mecánica clásica. En vez de eso, el movimiento de
una partícula queda regido por una función matemática que asigna, a cada punto del
espacio y a cada instante, la probabilidad de que la partícula descrita se halle en tal
posición en ese instante (al menos, en la interpretación de la Mecánica cuántica más
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usual, la probabilística o interpretación de Copenhague). A partir de esa función, o
función de ondas, se extraen teóricamente todas las magnitudes del movimiento
necesarias.
Entre las investigaciones o aportes a las ondas encontramos el Principio de HUYGENS.
(1629-1695) ideo una construcción geométrica que explica cómo pasa un frente de onda de
una posición a otra. Este modelo permite conocer la forma de propagación de las ondas.
Huygens baso dicha construcción en un principio experimental obtenido a partir de la
observación de fenómenos como el de reflexión y refracción.
El enunciado del principio de Huygens:
“Todo punto de un frente de onda puede considerarse como una fuente de nuevas ondas que
se propagan en todas las direcciones, con velocidad igual a la velocidad de la propagación
de las ondas.”
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ANALIZO COMPRENDIENDO EN CONTEXTO
A Trabajar!
Realizar las siguientes actividades en tu cuaderno
1. Investigar que se quiere decir cuando se habla sobre frente de onda.
2. Leer el texto y subrayar las palabras desconocidas y buscar en el diccionario.
3. Crear un mentefacto conceptual.
4. Escribir en 4 renglones la importancia del estudio de las ondas y cuál es su
aplicabilidad en la vida cotidiana.
5. Dibuja un átomo y escribe: ¿Cual es el comportamiento de los electrones? y ¿Cual es
su relación con el tema de las ondas?
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EL MOVIMIENTO ONDULATORIO
ENUNCIACIÓN
Una onda es una perturbación de
alguna propiedad de un medio,
que se propaga a través del
espacio transportando energía.
El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal o el
vacío, y las propiedades que sufren la perturbación pueden ser también variadas, por
ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético.
Ejemplos:
Cuando se perturba una superficie de agua arrojando un objeto o una piedra.
Hacer vibrar una cuerda.
El sonido que produce una ambulancia.
Las ondas se clasifican en dos formas:
1. Atendiendo al Medio de Propagación: las ondas pueden ser mecánicas y
electromagnéticas. Las ondas mecánicas requieren un medio natural o elástico que vibre;
por ejemplo, las ondas en el agua y en la cuerda. Las ondas electromagnéticas no
necesitan un medio material para propagarse, se propagan en el vacío. El calor del Sol
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nos llega a través de estas ondas. También las ondas de las estaciones de radio y
televisión.
2. Atendiendo a la Dirección de Propagación: estas ondas pueden ser transversales y
longitudinales.
Ondas Transversales: Las ondas transversales son aquellas en las que las partículas
del medio vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.
Cuando producimos una onda en una cuerda, ésta avanza hasta llegar al otro
extremo, cada punto del medio al ser alcanzado vibra, de forma tal que sube y baja,
pero sin avanzar, sólo se mueven perpendicularmente al movimiento de la onda.
Ondas Longitudinales: Las ondas longitudinales las podemos observar con mayor y
mejor facilidad en un resorte, pues cuando éste se deforma y es liberado, se produce
una vibración y las partículas del medio se mueven en la misma dirección de
propagación (resorte).
ELEMENTOS DE UNA ONDA
De acuerdo con la anterior gráfica, definiremos sus principales características:
Nodos: son los puntos de intersección de la onda con el nivel de referencia.
Elongación (x): También llamada longitud de la onda
punto de la onda y el nivel de referencia.
es la distancia que hay entre cada
Amplitud: La separación del resorte con respecto a la posición de equilibrio se denomina
amplitud y en este caso se le denomina A.
Cresta y Valle: La parte superior de la onda se denomina cresta y la parte inferior de la onda
se denomina valle.
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Período (T): tiempo que tarda en completar una oscilación (tiempo que tarda una partícula
en recorrer una longitud de onda).
Frecuencia: es el número de oscilaciones por unidad de tiempo. Por lo tanto, la frecuencia
de una onda f, es el número de oscilaciones completas por segundo y se mide en hertz.
(1 Hz =
)
F=
Dirección de propagación: es la dirección en que se dirige la onda, se toma positivo el que
indica la gráfica.
Velocidad de la Onda: La velocidad de propagación de las ondas se puede expresar como:
Ejemplo: En la superficie de un estanque se propaga ondas cuya frecuencia es de 4 Hz. Si
las ondas emplean 10 segundos en recorrer 2 m. Calcular:
a. El Periodo
b. La velocidad de propagación
c. La longitud de la onda
Solución:
a. Puesto que la frecuencia es 4 Hz, el periodo de oscilación de las ondas es:
b. La velocidad de propagación es:
c. La Longitud de la onda es:
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Hay ondas que no necesitan un medio material para propagarse (agua, cuerda, resorte) y se
propagan con facilidad, tal es el caso de las ondas electromagnéticas. Sin embargo, las
ondas electromagnéticas se desplazan gracias al desplazamiento de dos cambios a la vez, el
campo eléctrico y el magnético. Este tipo de onda electromagnética es la que utilizan las
estaciones de radio y televisión. El calor nos llega desde el Sol gracias a las ondas
electromagnéticas, ya que éstas atraviesan el espacio vacío.
SIMULACIÓN
A Trabajar!
1. Realizar un mentefacto de la temática vista hasta el momento.
EJERCITACIÓN
2. Toma una cuerda y con ella
produce
una
configuración
ondulatoria como se ilustra en la
figura.
3. Cuenta un número determinado de oscilaciones y el tiempo empleado en realizarlas y
con estos datos calcula la frecuencia de onda utilizando la formula vista en clase.
4. Calcula el periodo para hallar el tiempo que tarda en hacer una oscilación.
5. Una cuerda de 99 cm de longitud se le producen 30 vibraciones o oscilaciones en 10
segundos, Calcula:
a. La frecuencia de la onda generada.
b. El periodo de Vibración
c. La longitud de la onda
d. ¿Qué pasa con la longitud de la onda si la frecuencia aumenta?
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Resolver los siguientes ejercicios de Movimiento Ondulatorio6
1. Un tren de onda se mueve a lo largo de un cable con una velocidad de 100mt/seg.
Encontrar la frecuencia y el período de la fuente si la longitud de onda es de 7.5 cm.
2. Una fuente vibrante, con una frecuencia de 36 vib/seg, envía ondas a lo largo de un
cable con una velocidad de 5 mt/seg. Encontrar (a) el período de la fuente y (b) la
longitud de onda de las ondas.
3. La velocidad de las ondas de radio es de 3E8 mt/seg. ¿Cuál es la longitud de onda de
una radiodifusora que emite a frecuencia de 550 Kilociclos/seg?
4. Una radiodifusora emite con una longitud de onda de 20 mt. ¿Cuál es la frecuencia en
Megaciclos/seg si la velocidad de las ondas de radio es de 3E10 cm/seg?
5. Calcular la longitud de onda de un sonido cuya frecuencia es de 256 Vib/seg si se
propaga (a) en el aire, velocidad 340 mt/seg, (b) en el agua, velocidad 1500 mt/seg,
(c) en el hierro, velocidad 5100 mt/seg.
6. Un movimiento ondulatorio tiene un período de 0.02 seg y una velocidad de
propagación igual a 350 mt/seg. Calcular su frecuencia y su longitud de onda.
7. En un movimiento ondulatorio la distancia entre dos puntos consecutivos que vibran
en fase es de 5.4 cm. Calcular la velocidad de propagación y el período si la
frecuencia es de 300 vib/seg.
8. Un tren de onda se mueve a lo largo de un cable y tiene una velocidad de 100 cm/seg
y una longitud de onda de 20 cm, ¿cuáles son la frecuencia y el período de la fuente?
9. Al mecer un bote, un niño produce ondas de agua en la superficie de un lago
previamente tranquilo. Se observa que el bote produce 12 oscilaciones en 30
segundos y también que la cresta de onda determinada llega en 5 segundos a la orilla,
que se encuentra a 15 metros. Hallar (a) la frecuencia, (b) la velocidad, y (c) la
longitud de las ondas.
10. Una Onda sinusoidal viaja a lo largo de una cuerda. El tiempo para que un punto en
particular se mueva desde el desplazamiento máximo hasta el desplazamiento cero es
de 178 milisegundos. La longitud de onda de las ondas es de 1.38 metros. Calcular (a)
el período, (b) la frecuencia, y (c) la velocidad de onda.
11. Un punto material oscila 300 veces en un minuto, calcular el período y la frecuencia
de oscilación.
12. Un punto material oscila con una frecuencia de 10 Kilo Hertz (KHz). Determinar el
período y la cantidad de oscilaciones por minuto que realiza.
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UNIDAD DOS: FENOMENO ONDULATORIO
PROPÓSITO
Identificar en forma clara, los diferentes fenómenos ondulatorios que se presentan en la
naturaleza.
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LECTURA AFECTIVA
SISMO
Daños producidos por el terremoto del año 1906 en San
Francisco.
Se denomina sismo, seísmo, terremoto o
simplemente temblor a cualquier movimiento del
terreno generalmente producido por disturbios
tectónicos o volcánicos. Se utiliza la palabra temblor
para los movimientos sísmicos menores y terremoto
para los de mayor intensidad. Se utiliza el término
maremoto para denominar los sismos que ocurren en
el mar. La ciencia que se encarga del estudio de los
sismos, sus fuentes y de cómo se propagan las ondas sísmicas a través de la Tierra recibe el
nombre de sismología.
ORIGEN
El origen de los terremotos se encuentra en la liberación de energía que se produce cuando
los materiales del interior de la Tierra se desplazan, buscando el equilibrio, desde situaciones
inestables que son consecuencia de las actividades volcánicas y tectónicas que se producen
principalmente en los bordes de placa.
Los terremotos tectónicos se suelen producir en zonas donde la concentración de fuerzas
generadas por los límites de las placas tectónicas da lugar a movimientos de reajuste en el
interior y en la superficie de la Tierra. Es por esto que los sismos de origen tectónico están
íntimamente asociados con la formación de fallas geológicas. Suelen producirse al final de un
ciclo denominado ciclo sísmico, que es el período de tiempo durante el cual se acumula
deformación en el interior de la Tierra que más tarde se liberará repentinamente. Dicha
liberación se corresponde con el terremoto, tras el cual, la deformación comienza a
acumularse nuevamente.
A pesar de que la tectónica de placas y la actividad volcánica son la principal causa por la
que se producen los terremotos, existen otros muchos factores que pueden dar lugar a
temblores de tierra: desprendimientos de rocas en las laderas de las montañas, hundimiento
de cavernas, variaciones bruscas en la presión atmosférica por ciclones e incluso actividad
humana. Estos mecanismos generan eventos de baja magnitud que generalmente caen en el
rango de microsismos, temblores que solo pueden ser detectados por sismógrafos.
El punto interior de la Tierra donde se produce el sismo se denomina foco sísmico o
hipocentro, y el punto de la superficie que se haya directamente en la vertical del
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hipocentro- y que, por tanto, es el primer afectado por la sacudida -recibe el nombre de
epicentro.
El movimiento sísmico se propaga mediante Ondas elásticas (similares al sonido), a partir del
hipocentro. Las ondas sísmicas se presentan en tres tipos principales: dos de ellas son
ondas de cuerpo que solo viajan por el interior de la Tierra y el tercer tipo corresponde a
ondas superficiales, y son las responsables de la destrucción de obras y pérdida de vidas
humanas.
Ondas longitudinales, primarias o P: tipo de ondas de cuerpo que se propagan a
una velocidad de entre 8 y 13 km/s y en el mismo sentido que la vibración de las
partículas. Circulan por el interior de la Tierra, atravesando tanto líquidos como
sólidos. Son las primeras que registran los aparatos de medida o sismógrafos, de ahí
su nombre "P" o primarias.
Ondas transversales, secundarias o S: son ondas de cuerpo más lentas que las
anteriores (entre 4 y 8 km/s) y se propagan perpendicularmente en el sentido de
vibración de las partículas. Atraviesan únicamente los sólidos y se registran en
segundo lugar en los aparatos de medida.
Ondas superficiales: son las más lentas de todas (3,5 km/s) y son producto de la
interacción entre las ondas P y S a lo largo de la superficie de la Tierra. Son las que
producen más daños. Se propagan a partir del epicentro y son similares a las ondas
que se forman sobre la superficie del mar. Este tipo de ondas son las que se registran
en último lugar en los sismógrafos.
Vibraciones Nocivas
En algunos casos las vibraciones producidas por las máquinas pueden trasmitirse al cuerpo
humano o a alguna efe sus partes y afectarlos negativamente. Las vibraciones nocivas
pueden ser generabas por los procesos de transformación mecánica de materiales, por el mal
diseño y funcionamiento de las máquinas e incluso, por su funcionamiento normal. Sus
efectos dependen de la zona del cuerpo que se vea afectada, de la frecuencia de las
vibraciones y del tiempo de exposición. En máquinas como los carros, motos u otros medios de
transporte, el funcionamiento del motor y los alternadores, al igual que las irregularidades del
terreno sobre el que circulan, producen vibraciones. Estas vibraciones repercuten sobre todo el
cuerpo, y sus efectos pueden ser variados.
Cuando las exposiciones son prolongadas pueden afectar la región lumbar, mientras que las de
corta duración afectan el sistema nervioso central causando fatiga, dolor de cabeza e
insomnio. Las de muy bajas frecuencias, como fas producidas por los motores de los aviones,
provocan vibraciones del aparato vestibular del oído originando alteraciones en el sentido del
equilibrio. Las de frecuencias bajas y medias actúan sobre el sistema óseo, afectando la columna
vertebral] y provocando dolores cervicales; sobre el sistema digestivo, provocando hemorroides
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y diarreas; sobre la visión, provocando disminución de la agudeza visual; sobre el sistema
respiratorio y ocasionalmente, sobre el sistema cardiovascular.
Las vibraciones producidas en los procesos de transformación de materiales, generadas por los
choques entre las piezas de la maquinaria y los elementos que van a ser transformados,
afectan principalmente la parte del cuerpo que está en contacto con la maquinaria,
generalmente las manos y los brazos. Los huesos y los tendones se debilitan y en algunos casos
se deforman, se produce pérdida de sensibilidad y en
ANALIZO COMPRENDIENDO EN CONTEXTO
A Trabajar!
Realizar las siguientes actividades en su cuaderno
1. Realizar un mentefacto conceptual sobre la lectura anterior.
2. Realizar un listado de los términos desconocidos y buscar el significado indicando la
proposición donde se encuentran. Crear un diccionario de física donde se incluirán todas
las palabras desconocidas con su significado durante el año escolar.
3. ¿Qué desventajas tiene el comportamiento de LOS SISMOS EN NUESTRO
DESARROLLO MUNDIAL?
4. ¿Crees que se puede afirmar que las vibraciones en la tierra sean buenas o malas?
5. ¿Cómo crees que se puede disminuir el efecto negativo de las vibraciones de los medios
de transporte como los carros, las motos o los aviones, sin necesidad de influir sobre sus
características mecánicas?
6. Averigua acerca de otros problemas, tanto de salud como ambientales, que son
producidos por la vibración de las maquinas.
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FENÓMENO ONDULATORIO
ENUNCIACIÓN
Las propiedades de las ondas se
manifiestan a través de una serie de
fenómenos que constituyen lo
esencial
del
comportamiento
ondulatorio. Así, las ondas rebotan
ante una barrera, cambian de
dirección cuando pasan de un medio
a otro, suman sus efectos de una
forma muy especial y pueden salvar
obstáculos o bordear las esquinas.
El estudio de los fenómenos ondulatorios supone la utilización de conceptos tales como
periodo, frecuencia, longitud de onda y amplitud, y junto a ellos el de frente de onda, el cual
es característico de las ondas bi y tridimensionales.
Se denomina frente de ondas al lugar geométrico de los puntos del medio que son
alcanzados en un mismo instante por la perturbación.
Las ondas que se producen en la superficie de un lago, como consecuencia de una vibración
producida en uno de sus puntos, poseen frentes de onda circulares. Cada uno de esos
frentes se corresponden con un conjunto de puntos del medio que están en el mismo estado
de vibración, es decir a igual altura. Debido a que las propiedades del medio, tales como
densidad o elasticidad, son las mismas en todas las direcciones, la perturbación avanza
desde el foco a igual velocidad a lo largo de cada una de ellas, lo que explica la forma
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circular y, por tanto, equidistante del foco, de esa línea que contiene a los puntos que se
encuentran en el mismo estado de vibración.
Las ondas tridimensionales, como las producidas por un globo esférico que se infla y desinfla
alternativamente, poseen frentes de ondas esféricos si el foco es puntual y si el medio, como
en el caso anterior, es homogéneo.
En Función De Su Propagación O Frente De Onda
Ondas Unidimensionales: las ondas unidimensionales son aquellas que se propagan
a lo largo de una sola dirección del espacio, como las ondas en los muelles o en las
cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de onda son
planos y paralelos.
Ondas Bidimensionales o Superficiales: son ondas que se propagan en dos
direcciones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de una superficie,
por ello, se denominan también ondas superficiales. Un ejemplo son las ondas que se
producen en la superficie de un lago cuando se deja caer una piedra sobre él.
Ondas Tridimensionales o Esféricas: son ondas que se propagan en tres
direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas esféricas,
porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de
perturbación expandiéndose en todas direcciones. El sonido es una onda
tridimensional. Son ondas tridimensionales las ondas sonoras (mecánicas) y las ondas
electromagnéticas.
REFLEXIÓN
Es el cambio de dirección que experimenta la onda cuando choca con un obstáculo.
Cuando las ondas se producen en el plano, se puede observar que las ondas se reflejan
teniendo en cuenta que la medida del ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
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REFRACCIÓN
En este caso las ondas cambian de un medio a otro, lo que trae como consecuencia que la
velocidad varíe y su frecuencia permanezca igual. Consideremos el hecho que una onda
producida en el aire pasa al agua, en este caso la onda pasa de un medio menos denso a
otro más denso trayendo como consecuencia que la longitud de onda disminuya; para
encontrar una expresión para la refracción, se considera que una onda incide sobre una
superficie de tal manera que parte de la onda se refleja y otra parte se refracta como se
indica en la gráfica.
DIFRACCIÓN
Cuando una onda pasa cerca de un obstáculo o a través de un orificio, se produce un cambio
en la curvatura de la onda. Este fenómeno se conoce con el nombre de difracción.
INTERFERENCIA
Con frecuencia habrás observado que los sonidos emitidos por varias fuentes, como es el
caso de una orquesta, son percibidos como un solo sonido. A partir de las figuras puedes ver
que dos pulsos se propagan a lo largo de la cuerda y, para determinados instantes, se
obtienen las configuraciones mostradas.
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Cuando dos o más ondas de la misma naturaleza, por ejemplo, las ondas en una cuerda, se
encuentran, en determinado instante, en un punto del espacio, decimos que hay
interferencia. Observa que si en el mismo instante, en determinado punto se encuentran
descrestas (fig. 16c) o dos valles, la amplitud del pulso resultante es la suma de las
amplitudes, en este caso se dice que ocurre interferencia constructiva. Si como en la figura
lie se encuentran un valle y una cresta con igual amplitud, parece que la cuerda no vibrara,
se dice que ha ocurrido interferencia destructiva.
En los casos b y d de las figuras 16 y 11 hay interferencia, aunque no es ni constructiva ni
destructiva. La forma del pulso se obtiene aplicando el principio de superposición.
POLARIZACIÓN
Este fenómeno ocurre únicamente en ondas transversales y consiste en hacer vibrar una
onda que inicialmente se propaga en varios planos para vibrar en un solo plano, como se
observa en la figura.
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SIMULACIÓN
A Trabajar!
Realizar en el cuaderno:
1. Realizar un mentefacto conceptual sobre onda y un mentefacto conceptual sobre cada
uno de los fenómenos ondulatorios.
EJERCITACIÓN
2. ¿Qué es la longitud de onda?
3. ¿Qué fenómenos físicos se cumplen en una onda longitudinal?
4. ¿Qué nombre recibe el cambio de la curvatura de la onda que se produce cuando esta
pasa a través de un orificio?
5. ¿Cuándo se produce el fenómeno de refracción?
6. En una cubeta con agua, las ondas viajan de un medio
profundo, 1, a uno más profundo, 2. Si la configuración es
la mostrada en la figura determina en cuál de los dos
medios es mayor:
a. La velocidad de las ondas
b. La longitud de las ondas
c. La frecuencia
7. Escribe algunos ejemplos donde se evidencie los fenómenos ondulatorios (diferentes a
los expuestos en clase).
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
PRACTICA DE LABORATORIO
SIMULACIÓN
Vamos a Jugar
con las Ondas!
MATERIALES
Cubeta
Regla
Agua
PROCEDIMIENTO
1. Vierte agua en una cubeta hasta alcanzar una altura de 1 cm. Produce un pulso
agitando la superficie con una regla. Dibuja el pulso producido.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
23
PGF03-R03
2. Produce una perturbación con la yema del dedo. ¿Qué forma tiene el pulso generado?
Represéntalo gráficamente.
EJERCITACIÓN
A Trabajar!
1. Escribe al frente de cada una de las siguientes afirmaciones una V si es verdadero o una
F si es falso, en caso de ser falsas justifica tu respuesta.
a. Algunas ondas mecanicas se pueden propagar sin medio material. ( )
b. La amplitud de una onda depende de la longitud de onda. ( )
c. En la ondas longitudinales las particulas del medio oscilan en dirreccion paralela a la
dirreccion de propagacion de la onda. ( )
d. El sonido es una onda mecanica ya que necesita un medio para propagarse. ( )
e. La Velocidad de propagacion de las ondas en una cuerda depende de la frecuencia
con la cual se producen. ( )
f. Las ondas al chocar con una barrera se reflejan y cambian la longitud de onda. ( )
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
24
PGF03-R03
g. El cambio de dirrecion que experimenta una onda cuando pasa de un medio a otro se
denomina refraccion. ( )
2. Establece diferencia y semejanza entre:
a. Ondas transversales y longitudinales
b. Ondas mecanicas y electromagneticas
3. Realizar un mentefacto sobre el moviemiento ondulatorio.
4. La frecuencia de una onda es 200Hz ¿Cual es el periodo?
5. Una onda se propaga del punto A al punto B, separados 4 metros en 10 segundos. Si la
longitud de onda es 1 m. ¿Cuál es el periodo? ¿Cuál es la frecuencia?
6. En cuentra el periodo y la frecuencia del movimiento ondulatorio representado en la
grafica, si la velocidad de propagacion es de 10 m/s.
7. Un frente de onda se propaga por la superficie de un estanque, con un periodo de 4
segundos y una velocidad de 2 m/s. ¿Cuál es el valor de la longitud de onda
correspondiente?
8. ¿Las ondas que se producen en la superficie de un estanque, al dejar caer una piedra,
son longitudinales o trsversales? Justifica tu respuesta
9. Un bote en movimiento produce ondas superficiales en un lago tranquilo. El bote realiza
12 oscilaciones en 20 segundos,, cada oscilacion produce una cresta de onda. La cresta
de la onda tarde 6 segundos en alcanzar la orilla distante 12 metros. Calcular
a. Frecuencia
b. Velocidad
c. Longitud de la onda.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
UNIDAD TRES: ÓPTICA
PROPÓSITO
Interpreta los fenómenos ópticos a partir de las propagaciones de la luz.
Encuentra grafica y analíticamente la imagen de un objeto situado frente a un espejo o una
lente.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
LECTURA AFECTIVA
El estudio de las imágenes, producidas por refracción o por reflexión de la luz se llama óptica
geométrica. La óptica geométrica se ocupa de la trayectoria de los rayos luminosos,
despreciando los efectos de la luz como movimiento ondulatorio, como las interferencias.
Estos efectos se pueden despreciar cuando el tamaño la longitud de onda es muy pequeña
en comparación de los objetos que la luz encuentra a su paso y otros componentes de
instrumentos ópticos.
Una ilusión óptica es cualquier ilusión del sentido de la vista, que nos lleva a percibir la
realidad erróneamente. Éstas pueden ser de carácter fisiológico (como el encandilamiento
tras ver una luz potente) o cognitivo (como la variación en el tamaño aparente de la luna, que
parece ser más chica cuando está sobre nosotros y más grande cuando la vemos cerca del
horizonte).
A partir de ellas, basta hacer geometría con los rayos luminosos para la obtención de
fórmulas que corresponden a los espejos, dioptrio y lentes (o sus combinaciones)
construyendo así las leyes que gobiernan los instrumentos ópticos a los que estamos
acostumbrados. El trazado de rayos en sistemas de lentes y espejos es particularmente
importante para el diseño de los siguientes instrumentos ópticos:
El microscopio es un sistema de lentes que produce una imagen virtual aumentada de un
pequeño objeto. El microscopio más simple es una lente convergente, la lupa. El objeto se
coloca entre la lente y el foco, de modo que la imagen es virtual y está a una distancia que es
la distancia mínima de visón nítida, alrededor de 25 cm.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
La lupa es un instrumento óptico que fue inventado
haciendo uso de los principios de la física en referencia a la
óptica, la lente de la lupa desvía la luz que incide sobre ella
y forma una imagen ampliada y virtual del objeto que
tenemos debajo de ella.
El microscopio compuesto consiste en dos lentes
convergentes de pequeña distancia focal, llamadas
objetivo y ocular .Se puede observar la imagen a través
de una lente convexa.
VIENDO LAS REVELACIONES DEL CIELO
En 1609 el italiano Galileo Galilei, al experimentar con lentes que ponía en los extremos de
un tubo, invento el telescopio, y por primera vez el cielo nocturno comenzó a estudiarse con
algo mejor que la simple vista. Con su telescopio vio en la luna montañas, cráteres y zonas
llanas, en el sol vio manchas y alrededor de Júpiter cuatro satélites.
Durante casi cuatro siglos se mejoraron las características ópticas de los telescopios. Sin
embargo muchos astrónomos coincidían en que estudiar el universo desde la tierra, aun con
los telescopios más modernos, resultaba como intentar reconocer una persona desde el
fondo de una piscina. Lo anterior motivo a los científicos de la NASA y la Agencia Espacial
Europea, a emprender un proyecto para desarrollar un telescopio que pudiera ser puesto en
órbita y que evitara el impacto de la atmosfera terrestre. De esta manera se podrían estudiar,
con imágenes de alta resolución, las galaxias lejanas y poco conocidas. La realización del
proyecto demoro dos décadas, y finalmente el 25 de abril de 1990 se inicio la etapa de
acople del primer telescopio espacial con un peso de 12 toneladas y una altura superior a la
de un edificio de cuatro pisos.
Actualmente, los telescopios espaciales son ensamblados directamente en el espacio, y en
ellos se destacan los equipos de registro de imágenes en formato electrónico, y los segundos
son útiles para analizar la composición, la temperatura, la radiación y los campos magnéticos
de los diferentes cuerpos celestes.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
Estos telescopios, por el solo hecho de encontrarse en órbita, tienen una resolución 10
veces superior a la de cualquier telescopio terrestre. Gracias a ellos el mundo ha podido
observar imágenes del espacio que nunca creyó que fueran posibles, y fenómenos que aun
hoy desafían los conocimientos de la física y la astronomía.
ANALIZO COMPRENDIENDO EN CONTEXTO
A Trabajar!
Resolver las siguientes actividades en su cuaderno:
1. Realizar un listado de los términos desconocidos y buscar el significado indicando la
proposición donde se encuentran.
2. ¿Qué importancia tienen los aparatos fotográficos, mencionen todos los posibles
estilos de aparatos fotográficos?
3. ¿Por qué crees que aun con los telescopios espaciales más potentes es imposible
observar el interior de los agujeros negros?
4. Investiga que otros métodos, además de los ópticos, son utilizados para producir
imágenes tanto en los microscopios electrónicos como los telescopios espaciales.
¿aun así crees que se les pueda seguir considerando como instrumentos ópticos?
5. Realizar un mentefacto conceptual
6. Realiza con material reciclado un instrumento óptico fuera de los expuestos en clase.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
ÓPTICA
ENUNCIACIÓN
La óptica se ocupa del estudio
de la luz, de sus características
y de sus manifestaciones.
La reflexión y la refracción por un lado, y
las interferencias y la difracción por otro,
son algunos, de los fenómenos ópticos
fundamentales. Los primeros pueden
estudiarse siguiendo la marcha de los
rayos luminosos. Los segundos se
interpretan recurriendo a la descripción en
forma de onda. El conocimiento de las
leyes de la óptica permite comprender
cómo y por qué se forman esas
imágenes, que constituyen para el
hombre la representación más valiosa de
su mundo exterior.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
NATURALEZA DE LA LUZ
Generalmente las ondas mecánicas pueden ser observadas directamente, pero no podemos
hacer lo mismo para la luz que también es una transferencia de energía: de la fuente hacia
los objetos y de estos hacia el ojo. Actualmente, es imposible observar directamente la forma
de un rayo o una onda luminosa a un momento dado, o el movimiento de un punto del rayo o
de la onda luminosa en función del tiempo. Por esto, sobre la naturaleza de esta
transferencia, se ha desarrollado varias teorías.
Teoría Corpuscular: Newton enuncio el siguiente postulado: “Todas las fuentes luminosas
emiten pequeñas partículas materiales en línea recta con gran velocidad”. Esto explica
satisfactoriamente las leyes de la reflexión y refracción, la energía de la luz (por medio de la
energía cinética de las partículas) y que la luz no necesitaba soporte material para
propagarse, y por tanto puede viajar en el vacío, pero no puede explicar los fenómenos de
interferencia, difracción y polarización.
FUENTES LUMINOSAS
El átomo está formado de un núcleo rodeado de electrones que giran en diferentes órbitas. Si se le comunica energía, uno o varios electrones pueden subir de
órbitas, se dice que el átomo está excitado. Pero muy
pronto, el electrón regresa a su órbita original
restituyendo la energía en forma de luz; así la luz
proviene del regreso de un electrón a su órbita original
(figura.1).
Figura.1
Este hecho es general para todas las fuentes de luz que sea el Sol, la llama de un fósforo,
una bombilla o un cocuyo.
Pero, ¿cómo puede excitarse un átomo?
(a) Por medio del calor; es el principio de las lámparas incandescentes, de las llamas.
(b) Por medio de otras radiaciones (o de partículas). En este caso, la luz emitida puede tener:
La misma frecuencia que la de la luz incidente. Esto se presenta cuando un electrón
regresa directamente a su órbita original: es un fenómeno de resonancia.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
Una frecuencia diferente pero más pequeña que la de la luz
incidente. Esto se presenta cuando el electrón regresa a su
órbita original pero pasando por órbitas intermedias (figura 2);
en el fenómeno de fluorescencia esta emisión desaparece con
la luz excitadora. Por ejemplo, una luz azul incidente puede
producir una fluorescencia roja, y una luz ultravioleta (invisible)
emitir una luz visible (principio de las lámparas fluorescentes).
Figura .2
La fosforescencia consiste en la emisión de radiaciones que subsisten después de la
desaparición de la luz incidente; es el caso de las pinturas luminosas que puede durar horas.
PROPAGACIÓN DE LA LUZ
La luz se propaga en el vacio con una velocidad de c = 300000 Km/seg. Una luz que incide
sobre un cuerpo es parcialmente (cuerpo transparente) o absolutamente absorbida (cuerpo
opaco). Pero todos los cuerpos reflejan parte de la luz que incide. Cuando todas las
frecuencias son igualmente reflejadas, diremos que el cuerpo es blanco, gris o negro, si la
cantidad de luz reflejada es grande, mediana o nula.
Cuando algunas frecuencias se reflejan mejor que otras tendremos una sensación de color;
un libro nos parecerá roja cuando está iluminado con luz blanca, porque refleja el rojo y
absorbe todas las otras frecuencias.
La absorción de la luz por el medio presenta características muy interesantes:
a. Absorción sin emisión de radiación. En ciertos casos
la energía luminosa se convierte en energía cinética de
los átomos y por tanto hay producción de calor.
Frecuentemente la absorción es selectiva, o sea que la
energía correspondiente a ciertas frecuencias es
absorbida y no las otras; una capa de algunos metros
de agua aparece azul porque las otras frecuencias fueron absorbidas (figura 3).
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
Absorción con emisión de radiación. En otros casos, la energía luminosa se convierte en
energía luminosa con ciertas características como hemos visto en la sección anterior con los
fenómenos de resonancia, fluorescencia y fosforescencia.
REFLEXION DE LA LUZ
La experiencia muestra que cuando un rayo de luz se refleja sobre una superficie plana, la
naturaleza de |a4uz reflejada se puede describir en función de leyes sencillas y bien definidas.
La más simple de ellas se conoce como la
ley de la reflexión. De acuerdo con esta
ley, el ángulo de incidencia del rayo de
luz sobre la superficie reflectora es
exactamente igual al ángulo que forma el
rayo reflejado con la misma superficie.
Sin embargo, en vez de considerar el
ángulo de incidencia y el ángulo de
reflexión desde la superficie especular, se
acostumbra medirlos desde una línea
perpendicular al plano del espejo. Esta
línea, como se muestra en la Fig.4 se
llama normal.
A medida que el ángulo i crece, el ángulo
para todos los ángulos de incidencia
ángulo i
aumenta exactamente la misma cantidad, así que,
=
ángulo
En otras palabras el ángulo de incidencia (i) es igual al ángulo de reflexión ( ), Además, el
rayo incidente, el rayo reflejado se encuentran en el mismo plano.
Este fenómeno obedece a las siguientes leyes enunciadas por Snell:
1. Los rayos incidente, reflejado y la normal a la superficie en el punto de incidencia ,
están en un mínimo plano
2. El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión como se menciona
anteriormente.
3. La razón o el cociente del seno del ángulo de incidencia al seno del ángulo de
refracciones una constante es decir:
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
33
PGF03-R03
n se denomina índice de refracción del segundo medio con respecto al primero.
Al hablar de una superficie especular, no necesariamente se trata de una placa plateada de
vidrio, un espejo es cualquier superficie lo suficientemente liza para producir una reflexión
regular como se acaba de describir.
a. Reflexión especular: Cuando todos los rayos reflejados son paralelos: es el caso de
los metales pulidos, las superficies de los líquidos y los espejos.
b. Reflexión difusa: Cuando los rayos son reflejados en todas las direcciones, eso es
debido a las irregularidades de la superficie es el caso de las superficies rugosas o
mates.
REFRACCION DE LA LUZ
Cuando un rayo luminoso incide sobre la superficie de
separación de dos medios trasparentes de diferente
densidad, generalmente experimenta un cambio de
dirección, como lo esquematiza la figura 5. A este
fenómeno se le da el nombre de refracción. Si en el
punto de incidencia levantamos la normal (N) a la
superficie, el ángulo entre ésta y el rayo incidente se
llama ángulo de incidencia (í), y el formado por la
normal y el rayo refractado, ángulo de refracción (f).
Todos hemos observado cómo un lápiz introducido dentro de un vaso con agua pura parece
estar quebrado; lleve a cabo esta experiencia y explique lo observado. Realice igualmente esta
otra experiencia: deposite una moneda en el fondo de una taza y aléjese hasta que deje de
observar la moneda. Pídale a un amigo que vierta agua en la taza. ¿Qué observa? Trace el
camino seguido por los rayos de luz desde la moneda hasta su ojo. Finalmente, ilumine con una
linterna la superficie de una alberca de agua en una noche oscura. ¿Observa el haz refractado?
Este fenómeno recibe el nombre de refracción de luz y tiene lugar siempre que los rayos
luminosos cambian de medio de propagación. La luz al pasar del agua al aire cambia la
dirección de propagación. Por eso desde el aire vemos los objetos sumergidos en una
posición distinta a la que en realidad ocupan.
ELEMENTOS DE LA REFRACCION
El rayo refractado es aquel que se propaga después de producirse la refracción.
El ángulo de refracción es el ángulo formado por la normal y el rayo refractado.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
INDICE DE REFRACCION Y VELOCIDAD DE LA LUZ
El índice de refracción n, de un medio se define como el cociente entre la velocidad de la luz
en el vacío, c, y la velocidad v, con la que se propaga en dicho medio, al índice de refracción
de una sustancia respecto al vacio se llama índice de refracción absoluto. En la siguiente
tabla muestran el índice de refracción de algunas sustancias.
Sustancia
N
Sustancia
Agua
1,33
Vidrio Flint
Alcohol
1,36
Cloruro
Bisulfuro
n
1,66
de sodio
1,53
de carbono
1,63
Diamante
2,41
Aire
1,0003
Rubí
1,76 1
Helio
1,00004
Hielo
1,30 j
Cuarzo
1,46
Plástico
Vidrio crotón
1,52
(promedio)
1,5
El índice de refracción se expresa como:
Ejemplos
1. En un líquido, la velocidad de la luz es de 214000 Km/seg. ¿Cuál es el índice de
refracción de este líquido?
Solución:
2. ¿Hallar la velocidad de la luz en el agua?
Solución:
Según la tabla el índice de refracción del agua es 1.33
Se debe despejar la fórmula del índice de refracción para hallar la velocidad.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
DISPERSION DE LA LUZ
Es sabido desde la antigüedad que la luz solar, al pasar por cristales transparentes o joyas de varias
clases, produce brillantes colores. Los primitivos
filósofos,
intentando
explicar
el
fenómeno,
atribuyeron el origen de los colores al propio cristal.
Fue Newton el primero en demostrar con prismas que
los colores estaban ya presentes en la luz blanca del
sol y que la función del prisma era separar los colores,
refractándolos en diferentes direcciones.
Si la luz blanca incide sobre un prisma, la experiencia muestra que se observa un espectro
continuo de todos los colores del arcoíris: es el fenómeno de la dispersión (Fig. 6). Esto nos
muestra que la luz está formada por una serie infinita de colores.
El arco iris es la exhibición más espectacular del espectro de la luz blanca en la naturaleza.
Las condiciones requeridas para la aparición de este fenómeno, son que el sol esté brillando
en algún lugar del cielo y la lluvia esté cayendo en la parte opuesta. Dando uno la espalda al
sol, se pueden ver como arcos de círculos, el arco iris primario brillante y, a veces, el arco
iris secundario, más débil, con los colores invertidos.
Vistos desde alguna altura conveniente o desde un avión, estos arcos pueden formar
círculos completos, cuyo centro común está situado en la dirección de la sombra del
observador.
La teoría elemental del arco iris fue dada primero por Demini en 1611 y, posteriormente,
desarrollada con mayor exactitud por Descartes. Las características generales de los arcos
primarios y secundarios son explicadas satisfactoriamente al considerar sólo la reflexión y la
refracción de la luz por una gota esférica de lluvia.
Para comprender como se produce el fenómeno, concentremos nuestra atención en una sola
gota esférica de lluvia, como se muestra en la figura 7.
Se muestra un rayo de luz entrando en una gota por
el punto M, cerca de su parte superior. En este punto,
algo de la luz se refleja (no se indica) y el resto se
refracta dentro de la esfera líquida. En esta primera
refracción la luz se dispersa en sus colores
espectrales, el violeta es el que se desvía más y el
rojo el que se desvía menos.
Llegando al lado opuesto de la gota, cada
Color es parcialmente refractado hacia afuera dentro del aire (no se indica) y en parte
reflejado hacia atrás dentro del líquido. Alcanzando la superficie en el límite inferior, cada
uno de los colores es otra vez reflejado (no se indica) y refractado.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
De todos los rayos del sol que caen sobre un lado de cada gota individual, sólo una pequeña
parte de ellos es responsable de las características del arco iris prima rio y secundario.
REFLEXION TOTAL
Cuando la luz penetra de un medio menos denso ópticamente a uno más denso, por
ejemplo de aire a vidrio, resulta la ecuación:
r es siempre más pequeño que i, por tanto el rayo se acerca a la normal (salvo
cuando i=0, porque en este caso r=0, no hay desviación del rayo incidente). En el
caso de que i=90º el ángulo de refracción critico es:
Ejemplo:
1. ¿Cuál es el ángulo critico del vidrio de índice de refracción n= 1.5?
Solución:
a. Remplazando en la formula tenemos
b. A hora despejamos a rc para hallar el ángulo de refracción critico
2. Un rayo luminoso pasa del agua (n= 4/3) al aire con un
ángulo de incidencia de 37º. Hallar el ángulo de
refracción.
Solución:
1. Aquí el ángulo de incidencia es el ángulo r de la
relación:
2. Y el ángulo de refracción es el ángulo i, luego tenemos:
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
3. En el ejercicio anterior ¿Cuál es el ángulo crítico en el agua?
Solución:
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
EJERCITACIÓN
A Trabajar!
Resolver las siguientes problemas en su cuaderno:
1. Un rayo luminoso incide con un ángulo de 53º sobre agua de índice 4/3. ¿Cuál es el
ángulo de refracción?
2. Un rayo luminoso incide con un ángulo de 90º sobre un vidrio y se refracta con un
ángulo de 37º.
a. ¿Cuál es el ángulo de refracción crítico?
b. ¿Cuál es el índice de refracción de este vidrio?
3. ¿Cuál es el ángulo de refracción crítico para un cuerpo de índice de refracción 2?
4. Plantea un ejemplo de una situación que permita justificar la naturaleza ondulatoria de
la luz.
5. Encontrar la velocidad de la luz en la gasolina, si el índice de refracción es de 1.425.
6. Encontrar la velocidad de la luz en el bisulfuro de carbono, si el índice de refracción es
de 1.67.
7. ¿En qué medio se mueve la luz a mayor velocidad en el alcohol o en el aire?
8. En una sustancia M la velocidad de la luz es mayor que en otra N. ¿Cuál tiene un
índice de refracción mayor?
9. ¿Por qué un diamante expide tanta luz?
10. Realizar un mentefacto sobre el tema anterior.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
ESPEJOS
ENUNCIACIÓN
Clasificación
Los espejos son superficies capaces de reflejar la luz. Puede hacerse con metales
pulimentados o con cristales.
Planos Angulares
Clases
Cóncavos , Convexos
Curvos o Esféricos
Conceptos básicos
En las imágenes de espejos planos se utilizan términos como:
a. Campo del espejo: Conjunto de puntos del espacio por los cuales puede pasar los
rayos luminosos que inciden en el espejo.
b. Imagen real: Imagen que se obtiene en el campo del espacio.
c. Imagen virtual: Imagen que se obtiene en puntos diferentes al campo del espejo.
do: Distancia del objeto al espejo.
di: Distancia de la imagen al espejo.
Ho: Tamaño del objeto.
Hi: Tamaño de la imagen.
f: Distancia Focal
Características de la imagen en los espejos planos
a. Imagen virtual: es decir, por detrás del espejo.
b. do = di (Distancia entre la imagen de un objeto y espejo plano que la produce, es igual a la
distancia entre el objeto y el espejo.)
c. tamaño de la imagen = tamaño del objeto.
d. Parece invertir los lados derecho e izquierdo.
e. Vemos la imagen al derecho nunca invertida.
ELEMENTOS DE UN ESPEJO ESFÉRICO
Son aquellos en donde la superficie reflectora es un casquete esférico. Los espejos que no son
planos proporcionan imágenes distorsionadas, en cuanto a la forma, y el tamaño real de los
objetos reflejados en ellos. Esta distorsión se debe, precisamente, a que la superficie
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
reflectante de dichos espejos no es plana, sino semiesférica. Dentro de este tipos de espejos
podemos distinguir dos clases: los espejos cóncavos y los convexos.
Exterior
cóncavo
Interior
convexo
En los espejos cóncavos, los rayos que inciden paralelos al eje al reflectarse pasan por el
foco. En los espejos convexos, los rayos que inciden paralelos al eje parecen venir del foco.
a. Campo del espejo: Puntos del espacio por los cuales pueden pasar los rayos
luminosos que inciden en la superficie.
b. Centro de curvatura (c): Punto del espacio equidistante de todos los puntos del espejo.
c. Radio de curvatura (r): Distancia del centro de curvatura al espejo.
d. Vértice del espejo (v): Punto medio del espejo.
e. Eje principal: Recta que pasa por el centro de curvatura y de vértice.
f. Eje Focal: Plano perpendicular al eje principal situado a mitad del espejo.
g. Foco (f): Punto medio entre el eje de curvatura y el vértice.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
h. Distancia Focal: Distancia que hay desde el foco hasta el vértice del espejo.
RAYOS NOTABLES EN UN ESPEJO CONCAVO
Todo rayo que incide pasando por el centro de
curvatura se refleja en la misma dirección.
Todo rayo que incide pasando por el foco se
refleja para lelo al eje principal
Todo rayo que incide paralelo al eje principal se refleja
pasando por el foco
Si dos rayos inciden paralelos se interceptan en el
plano focal
CONSTRUCCIÓN DE IMÁGENES: MÉTODO GRÁFICO
Para la obtención de la imagen de un objeto situado frente a un espejo esférico se emplean
básicamente tres rayos, de los cuales, resultan indispensables sólo dos de ellos; para esto se
traza:
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
1. Un rayo paralelo al eje principal que incide en el espejo, se refleja pasando por el foco
principal.
2. Un rayo luminoso que pasa por el foco principal que incide y se refleja paralelamente
al eje principal.
3. Un rayo luminoso que pasa por el centro de curvatura el cual incide y se refleja
siguiendo la misma trayectoria.
EN UN ESPEJO CÓNCAVO
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PGF03-R03
EN UN ESPEJO CÓNVEXO
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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FORMULAS DE LOS ESPEJOS ESFERICO
Las distancias son directamente proporcionales a los tamaños.
Formula de Descartes (figura 10),
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
EJERCITACIÓN
A Trabajar!
Resolver las siguientes problemas en su cuaderno:
1. Un objeto de 0.5 cm de altura se coloca a una distancia de 8 cm frente a un espejo
esférico de radio 6 cm. Determina el tamaño y posición de la imagen en los siguientes
casos. Indica si la imagen es real, virtual, derecha o invertida. Calcular la imagen
gráficamente y analíticamente.
a. El espejo cóncavo.
b. El espejo convexo.
2. El radio de curvatura de un espejo esférico cóncavo es de 180 cm. ¿A qué distancia
de dicho espejo se debe colocar un objeto para que proyecte una imagen real e igual
a la mitad del tamaño del objeto?
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
LENTES
ENUNCIACIÓN
Una lente es toda sustancia transparente limitada por dos superficies de las cuales por lo
menos una de ellas debe ser esférica.
CLASES DE LENTES
Convergentes. Cuando la parte central es más
ancha que los bordes; se caracteriza por hacer que
los rayos paralelos al eje principal que llegan a la
lente se refracten de manera que todos concurran
en un solo punto.
Divergentes. Cuando los bordes son más anchos que la
parte central, se caracteriza por hacer que los rayos
paralelos al eje principal que llegan a la lente se separen
de manera que sus prolongaciones se corten en un solo
punto.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
47
PGF03-R03
ELEMENTOS DE UNA LENTE
Centro Óptico (Co). Es el centro geométrico de la lente.
Centros de Curvaturas (C1, C2). Son los centros de las esferas que originan la lente.
Radios de Curvatura (R1, R2). Son los radios de las esferas que originan la lente.
Eje Principal. Es la recta que pasa por los centros de curvatura y el centro óptico.
Foco (F).- Es aquel punto ubicado en el eje principal en el cual concurren los rayos
incidentes paralelos al eje principal. Toda lente tiene 2 focos, puesto que la luz puede venir
por uno u otro lado de la lente.
Distancia focal (f). Es la distancia del foco principal a la lente, este valor se determina con la
ecuación del fabricante que posteriormente estudiaremos.
Foco objeto (Fo). Es el foco ubicado en el espacio que contiene al objeto.
Foco imagen (Fi). Es el foco ubicado en el espacio que no contiene al objeto.
Foco principal (F). Es el punto en el cual concurren los rayos refractados o las
prolongaciones de los refractados que provienen de los rayos incidentes paralelos al eje
principal y que provienen del objeto, el foco principal puede estar ubicado en el foco imagen
o en el foco objeto.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
OBSERVACIONES
- En las lentes, a diferencia de los espejos, la zona en que está el objeto se llama zona
virtual, en donde cualquier distancia tiene signo negativo; la zona detrás de la lente se llama
zona real y allí cualquier distancia tiene signo positivo; la distancia objeto, es la distancia del
objeto a la lente y a pesar que se encuentra en la zona virtual, siempre se mide con signo
positivo.
- En los espejos, la distancia focal es la mitad del radio de curvatura, en las lentes, esto casi
nunca sucede.
EJERCITACIÓN
A Trabajar!
Resolver las siguientes actividades en su cuaderno:
1. Investigar en qué condiciones una lente convergente puede producir una imagen
virtual
2. Diga de que se distinguen, con respecto a su forma, las lentes convergentes de las
divergentes.
3. Escriba algunos instrumentos ópticos y su aplicabilidad en la vida cotidiana.
4. Investigar cual es la diferencia entre imágenes reales y virtuales formadas por los
espejos.
5. Escoja 20 palabras entre los temas de espejos y lentes y realiza una sopa de letras.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
49
PGF03-R03
PRACTICA DE LABORATORIO
SIMULACIÓN
Vamos a Jugar
Con la Óptica!
MATERIALES:
Fuente de luz
Trozo de cartulina negra de 8 cm x j cm f Vidrio opaco o papel mantequilla, pantalla)
Regla
Espejo cóncavo
cuchilla
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
50
PGF03-R03
PROCEDIMIENTO
1. Recorta en la cartulina una flecha como se muestra en la figura. Mide el tamaño de la
flecha. Este es el tamaño Ho del objeto a partir del cual determinaremos la imagen
producida por el espejo cóncavo, pues la luz que la atraviesa incide en el espejo.
2. Arma el montaje
3. Podemos proyectar la imagen en una pantalla traslucida (vidrio esmerilado o papel
mantequilla). Para alguna posición del objeto se mide su distancia al espejo do, y
después de ubicar sobre la pantalla la imagen invertida (en el sitio en el que la
observes con mayor nitidez). mide su distancia al espejo di. Mide la altura de la
imagen Hi. Registra los datos en una tabla como la del ala lado.
4. Varía sucesivamente la posición del objeto con respecto al espejo y registra en cada
caso los datos obtenidos.
5. Calcula, para cada par de datos de do y di, la distancia focal del espejo a partir de la
expresión: registra los valores en la tabla
6. Determina el valor promedio de la distancia del focal del espejo.
7. En cada coso, calcula la razón entre el tamaño de la imagen y el tamaño del objeto
(Hi/Ho). También calcula la razón entre la distancia de la imagen al espejo y la
distancia del objeto al espejo (di/do). Registra los valores en la tabla.
8. Busca una posición del objeto con respecto al espejo para la cual no se produce
imagen real. Es decir, que la imagen no se puede proyectar sobre la pantalla. Indica la
distancia del objeto al espejo.
9. De tres conclusiones sobre la actividad experimental.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
51
PGF03-R03
UNIDAD CUATRO: EL SONIDO
PROPÓSITO
Explica el principio de conservación de la energía en una onda que cambia de medio de
propagación.
Reconoce y diferencia modelos para explicar la naturaleza y el comportamiento del sonido.
Determina los diferentes fenómenos acústicos.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
52
PGF03-R03
LECTURA AFECTIVA
LA BIOACUSTICA Y EL ESTUDIO Y CONSERVACION DE LOS ANIMALES.
Muchos insectos, aves, reptiles, mamíferos y peces, emiten sonidos para comunicarse. La
bioacústica estudia la producción y recepción de estos sonidos, sus características y sus
usos en comportamientos reproductivos y territoriales, entre otros. Analizando estos sonidos
se pueden identificar y monitorear diferentes especies, estimar la diversidad de un área
determinada y estudiar los animales nocturnos. Además, con la bioacústica, a diferencia de
otros métodos, no es necesario capturar los animales para detectarlos, evitándoles así serios
riesgos de lesionarse. El estudio de la comunicación sonora entre los animales comenzó en
los años sesenta cuando se inventaron las grabadoras portátiles Sin embargo, la bioacústica
se desarrolló hasta hace poco con la invención de micrófonos muy potentes y precisos y pilas
muy ligeras y durables. Con estos es posible recorrer los bosques durante períodos
prolongados en busca de sonidos.
EL CANTO DE LAS AVES
Los cantos de las aves, tan bonitos como la música o tan estridentes como el ruido, les
sirven como señales sociales de reconocimiento y comunicación Ínter e intraespecífica. Cada
especie tiene cantos y repertorios particulares, con características únicas, que la identifican
frente a las otras. Es así como los científicos utilizan el canto, usado naturalmente para el
reconocimiento entre individuos de la misma especie, con el mismo fin.
El canto de las aves es particularmente útil como método de identificación de especies
cuando la observación directa se ve reducida por vegetación densa, o cuando se están
buscando especies raras, amenazadas, poco conspicuas o que tienen actividad nocturna. La
identificación de las "especies puede hacerse mediante reconocimiento del canto por
experiencia o con la ayuda de programas de computador, o mediante reconocimiento visual
apoyado en una técnica conocida como "play-back" Esta se basa en la emisión de cantos y
el comportamiento que generan. Muchas especies responden agresivamente: se acercan al
intruso, en este caso una grabación, y aumenta su frecuencia de canto para tratar de
expulsarlo. Así se hacen más fácilmente detectables y pueden ser reconocidas visualmente.
Los cantos también han sido utilizados con éxito para el manejo de ecosistemas productivos,
como los cultivos y los estanques para peces, y de algunas zonas urbanas como los
aeropuertos, en los que algunas aves son indeseables pues pueden llegar a constituirse en
plagas o causar accidentes Su control se ha logrado emitiendo grabaciones de cantos. Estos
generalmente son señales de advertencia que indican la presencia de un depredador, o el
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
53
PGF03-R03
canto mimo del depredador águila u otra ave rapaz, que hacen que los indeseables
emprendan la fuga.
SALVANDO LOS MAMÍFEROS ACUÁTICOS
Muchas especies de mamíferos acuáticos de los grandes ríos como el Amazonas y el
Orinoco, la mayoría de las cuales se encuentra en peligro de extinción como los manatíes y
los delfines, no permanecen en el mismo sitio a lo largo del año sino que realizan
migraciones dependiendo de la oferta de alimento. De esta manera, su conservación se
dificulta pues no depende solo de la protección de sus áreas de alimentación, sino también
de sus rutas de migración, la mayoría de las cuales son desconocidas.
Se han emprendido investigaciones, basadas en la obtención de grabaciones a través de
hidrófonos (micrófonos ubicados dentro del agua), que pretenden localizar, estudiar,
monitorear y averiguar las rutas de migración de varias especies de manatíes. Para tal fin,
los sonidos grabados de individuos en cautiverio son emitidos a través de un alto parlante a
prueba de agua.
Los manatíes del área responden vocalmente al estímulo, y las respuestas son grabadas.
Luego, en el laboratorio, con la ayuda de computadoras, cada respuesta es identificada como
proveniente de una especie en particular. Con estos estudios» además de localizar el área
de ocurrencia y caracterizar los comportamientos migratorios de los manatíes, se han identificado sus repertorios sonoros y se han hecho estimaciones de la densidad de cada especie.
El comportamiento de los delfines también está siendo acústicamente estudiado,
particularmente a través de sus hábitos de emitir continuamente chasquidos y silbidos. Las
funciones de estas emisiones, a pesar de estar relacionadas con comportamientos sociales y
de cacería, aún no son totalmente comprendidas Los delfines producen estos sonidos
principalmente durante la alimentación, sugiriendo una función de escolarización ,parecida a
la del sonar, relacionada con la navegación y la captura de presas.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
54
PGF03-R03
ANALIZO COMPRENDIENDO EN CONTEXTO
A Trabajar!
Resolver las siguientes actividades en su cuaderno:
1. Leer el texto subrayar las palabras desconocidas y buscar su significado en el
diccionario.
2. ¿Cuál crees que sean otras aplicaciones de la bioacústica?
3. ¿Qué animales crees que tienen las capacidades auditivas más desarrolladas? ¿Por
qué?
4. ¿Crees que los animales se comunican con la misma frecuencia? ¿Por qué?
5. Algunos sonidos emitidos por los animales no son perceptibles por el oído humano,
¿Cómo hacen para estudiarlos?
6. Los sonidos emitidos por los animales pueden ser de bajo o alta frecuencia. Investiga
que tipo de animales se comunican con cada una de ellas, bajo qué condiciones y
cuáles son sus ventajas y sus desventajas.
7. Realizar un mentefacto conceptual sobre la lectura afectiva.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
55
PGF03-R03
EL SONIDO
ENUNCIACIÓN
El SONIDO es una onda
longitudinal. Las partículas del
medio vibran en la dirección
de propagación de las ondas.
PROPAGACIÓN DEL SONIDO
Onda Sonora
El sonido es la sensación producida en el oído por la vibración de
las partículas que se desplazan (en forma de onda sonora) a
través de un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) que las
propaga.
NATURALEZA DEL SONIDO
El origen del sonido es un movimiento vibratorio, producido por
cuerpos en movimiento periódico. Pueden sr cuerdas vibrantes o
placas vibrantes, tubos sonoros, etc. Los sonidos de la voz son
producidos por las vibraciones de las cuerdas vocales, cuya tensión es regulada por
músculos.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
56
PGF03-R03
Pero no todos los movimientos vibratorios producen sonidos. Solo las vibraciones de
frecuencia de 16 hasta 20000 Hz producen la sensación de sonido. Este límite superior es
variable según la edad, mientras los niños pueden oír hasta 25000 Hz, en la vejez se llega
difícilmente hasta 12000 Hz. Se acostumbra denominar infrasonido a las ondas sonoras cuya
frecuencia es menor a 16 Hz y ultrasonidos a los de frecuencia mayor de 20000 Hz.
Como el sonido se propaga en forma de ondas, habrá que ver qué tipo de onda es, para
saber cómo va a comportarse.
Como onda, el sonido responde a las siguientes características:
1. Es una onda mecánica.
2. Es una onda longitudinal
3. Es una onda esférica
EL SONIDO COMO ONDA MECÁNICA
Las ondas mecánicas no pueden desplazarse en el vacío, necesitan hacerlo a través de un
medio material (aire, agua, cuerpo sólido).
Además, de que exista un medio material, se requiere que éste sea elástico. Un medio rígido
no permite la transmisión del sonido, porque no permite las vibraciones.
La propagación de la perturbación se produce por la compresión y expansión del medio por
el que se propagan. La elasticidad del medio
Permite que cada partícula transmita la perturbación a la partícula adyacente, dando origen a
un movimiento en cadenas.
EL SONIDO COMO ONDA LONGITUDINAL
El movimiento de las partículas que transporta la onda se desplaza en línea recta y en la
misma dirección de propagación de la onda. La perturbación en una onda sonora es una
serie de regiones, de alta y baja presión, que viajan a través del aire o de cualquier otro
medio material.
EL SONIDO COMO ONDA ESFÉRICA
Las ondas sonoras son ondas tridimensionales, es decir, se desplazan en tres direcciones y
sus frentes de ondas son esferas radiales que salen de la fuente sonora en todas las
direcciones.
El principio de Huygens afirma que cada uno de los puntos de un frente de ondas esféricas
puede ser considerado como un nuevo foco emisor de ondas secundarias también esféricas,
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
57
PGF03-R03
que como la originaria, avanzarán en el sentido de la perturbación con la misma velocidad y
frecuencia que la onda primaria.
VELOCIDAD DEL SONIDO
La velocidad con que viaja el sonido depende de los medios elásticos interpuestos entre la
fuente sonora y el oído.
A continuación la tabla muestra los resultados obtenidos acerca de la velocidad del sonido en
diversos medios.
VELOCIDAD DEL SONIDO EN DIFERENTES MEDIOS
MEDIO
TEMPERATURA (Cº)
VELOCIDAD (m/s)
Aire
0
331.7
Aire
15
340
Oxígeno
0
317
Agua
15
1450
Acero
20
5130
Caucho
0
54
Aluminio
0
51000
La velocidad de propagación del sonido en el aire varia 0.6 m/s por cada grado Celsius de
temperatura; por lo tanto; se puede calcular la velocidad (v) del sonido en el aire en función
de la temperatura (t) utilizando la expresión.
Donde la velocidad inicial (vi) del sonido en el aire a 0º C, es Vi = 331 m/s
Ejemplo
Determinar la velocidad del sonido en el aire en m/s a una temperatura de 40º C.
Solución:
1. Como la velocidad del sonido aumenta 0.6 m/s por cada grado multiplicamos este
valor por 40ºC
2. Luego sumamos la vi del sonido con este nuevo valor y hallamos la velocidad del
sonido a 40ºC.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
58
PGF03-R03
La velocidad del sonido se puede calcular conociendo la distancia recorrida y el tiempo
empleado en recorrerla, mediante la expresión:
También se puede utilizar la expresión:
Ejemplo
1. Una onda sonora recorre en el agua 1000 m en 0.69 segundos. ¿Cuál es la velocidad
del sonido en el agua?
Solución.
2. Calcula la longitud de onda de un sonido cuya frecuencia es de 80s-1 si se propaga en
el aire a una temperatura de 20ºC.
Solución:
1. Despejamos de la formula de velocidad a la longitud de la onda.
2. Hallamos la velocidad del aire a 20ºC.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
59
PGF03-R03
3. Luego hallamos la longitud de la onda con la formula despejada.
EJERCITACIÓN
A Trabajar!
Resolver las siguientes actividades en su cuaderno:
1. Encontrar la velocidad del sonido en m/s para el aire a 56ºC.
2. Encontrar la velocidad del sonido en pies/s para el aire a 20ºC
3. Calcula la longitud de onda de un sonido cuya frecuencia es de 180s -1 si se propaga
en el aire a una temperatura de 30ºC
4. Calcula el tiempo que emplea el sonido en recorrer 1.8 Km, en el aire a 0ºC, en el aire
a 15ºC y en el agua.
5. ¿Qué longitud de onda tiene una onda sonora cuya frecuencia es de 20000 s -1 y se
propaga con una velocidad de 340 m/s?
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
60
PGF03-R03
FENÓMENOS FÍSICOS QUE AFECTAN A LA PROPAGACIÓN DEL
SONIDO
ENUNCIACIÓN
ABSORCIÓN. La capacidad de absorción del sonido de un material es la relación entre la
energía absorbida por el material y la energía reflejada por el mismo.
Es un valor que varía entre 0 (toda la energía se refleja) y 1 (toda la energía es absorbida).
REFLEXIÓN. Es una propiedad característica del sonido, que algunas veces llamamos eco.
El eco se produce cuando un sonido se refleja en un medio más denso y llega al oído de una
persona con una diferencia de tiempo igual o superior a 0,1 segundos, respecto del sonido
que recibe directamente de la fuente sonora.
TRANSMISIÓN. La velocidad con que se transmite el sonido depende, principalmente, de la
elasticidad del medio, es decir, de su capacidad para recuperar su forma inicial. El acero es
un medio muy elástico, en contraste con la plastilina, que no lo es. Otros factores que
influyen son la temperatura y la densidad.
REFRACCIÓN. Cuando un sonido pasa de un medio a otro, se produce refracción. La
desviación de la onda se relaciona con la rapidez de propagación en el medio.
El sonido se propaga más rápidamente en el aire caliente que en el aire frío. Es la desviación
que sufren las ondas en la dirección de su propagación, cuando el sonido pasa de un medio
a otro diferente. La refracción se debe a que al cambiar de medio, cambia la velocidad de
propagación del sonido.
DIFRACCIÓN O DISPERSIÓN. Si el sonido encuentra un obstáculo en su dirección de
propagación, es capaz de rodearlo y seguir propagándose.
La persona B puede escuchar a la persona A, en virtud de que las ondas sonoras emitidas
por A rodean el muro y llegan al oído de B.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
CUALIDADES DEL SONIDO
1. Si escuchas una voz conocida que te habla sin ver a la persona. ¿Cómo sabes quién
te está hablando?
2. ¿Por qué se puede distinguir proveniente de un violín al proveniente de una guitarra?
3. Si escuchas que una persona te llama. ¿Cómo sabes que la persona está lejos o
cerca?
Las sensaciones percibidas por nuestro oído nos sugieren que existen diferentes
características del sonido.
TONO: El tono de un sonido es la cualidad que corresponde a la sensación de un sonido
más o menos bajo o alto. La experiencia nos muestra que el sonido se hace más y más alto
cuando crece su frecuencia. Por lo tanto podemos medir el tono de un sonido por su
frecuencia.
INTENSIDAD: La intensidad física está relacionada con la cantidad de energía que
transporta la onda sonora, en la unidad de tiempo, a través de la unidad de superficie,
tomada perpendicularmente a la dirección en que se propaga. Viene expresada por:
Hay que tener en cuenta que para la intensidad del sonido el
intensidad del sonido se expresa en vatios sobre m2 (W/m2).
, además la
Ejemplo: Una fuente emite con una potencia de 0.05 W. Calcular la intensidad que se
percibe a 10 m de distancia de la fuente,
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
Solución:
Debemos hallar el área de la superficie donde se ha propagado.
Hallamos la intensidad
Los sonidos deben tener una intensidad
mayor que la del umbral de audición y una
intensidad menor a cierto valor que el oído
no puede tolerar, llamado umbral de la
sensación dolorosa. Pero estos umbrales
dependen de la frecuencia. Por esto se
construye un diagrama como el que se
muestra en la figura, que presenta el área
de audición de una persona normal. La
curva muestra que el oído tiene la máxima
sensibilidad hacia la frecuencia de 20000
Hz.
TIMBRE: Dos sonidos de la misma intensidad e igual tono pueden dar sensaciones muy
diferentes. Si se escucha la misma nota dada por un violín y un piano, inmediatamente se
sabrá a qué instrumento pertenece cada nota. Se dice que estos sonidos difieren por su
timbre.
EFECTO DOPPLER
Cuando dos observadores se mueven acercándose o alejándose de una fuente sonora que
puede estar en reposo o en movimiento, la frecuencia del sonido que se percibe es diferente
que cuando se encuentra en reposo. Por ejemplo la frecuencia del sonido que emite una
locomotora cuando se acerca al observador, es mayor que cuando se aleja. Para hallar la
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
63
PGF03-R03
variación de frecuencia que se aprecia hay que tener en cuenta la velocidad del sonido
según el medio que se propague.
Si la fuente se acerca al observador: Si la fuente se acerca al observador, el observador se
encuentra en reposo y percibe un sonido cuya frecuencia es N I, Cuando la fuente vibratoria
esta en movimiento con respecto a un observador, la frecuencia del movimiento vibratorio
resulta modificada si la fuente se acerca. La frecuencia aumenta.
Ejemplo: Un tren se desplaza a 27.7 m/s haciendo sonar su silbato. Calcular la variación de
frecuencia que aprecia una persona que lo ve aproximarse. La frecuencia producida por el
sonido es de 900Hz.
Solución:
1. Como la el sonido se propaga en el aire entonces su velocidad es de 340m/s en 15ºC
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
64
PGF03-R03
Si la fuente se aleja del observador: Si la fuente se aleja la frecuencia disminuye.
Ejemplo:
1. Un tren se desplaza a 27.7 m/s haciendo sonar su silbato. Calcular la variación de
frecuencia que aprecia una persona que lo ve alejarse. La frecuencia producida por el
sonido es de 900Hz.
Solución:
1. Como la el sonido se propaga en el aire entonces su velocidad es de 340m/s en 15ºC
Si la fuente esta inmóvil y el observador se acerca:
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
65
PGF03-R03
Si el observador se aleja de la fuente.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
EJERCITACIÓN
A Trabajar!
Resolver las siguientes actividades en su cuaderno:
1. Un autobús viaja con una velocidad de 24,8 m/s, y su corneta emite un sonido cuya
frecuencia es de 270Hz. Hallar la frecuencia escuchada por el observador que lo ve
acercarse.
2. Una ambulancia se aleja de un observador con velocidad de 20m/s. El conductor hace
funcionar la sirena que emite un sonido de 350Hz. ¿Cuál es la frecuencia percibida
por el observador del sonido que proviene directamente de la ambulancia?
3. Un helicóptero se desplaza a una velocidad de 250 Km/h produciendo un ruido de
1000Hz. Calcular la variación de frecuencia que aprecia una persona que lo ve
aproximarse y después alejarse.
4. Una volqueta viaja con una velocidad de 35m/s, y su corneta emite un sonido cuya
frecuencia es de 360Hz. Si una persona camina en el mismo sentido a una velocidad
de 4.2m/S ¿Qué frecuencia percibe la persona?
5. Un tren que viaja a una velocidad de 75 Km/h emite un sonido de 380Hz. Calcular la
variación de frecuencia que percibe un observador que lo ve aproximarse y alejarse.
6. Una persona percibe un sonido de 25Hz de una trompeta llevada en la banda marcial
por un hombre que camina a una velocidad de 15m/s. Calcular la variación de
frecuencia percibida por el observador que lo ve acercarse.
7. Un avión que aterriza en una autopista a una velocidad de 120 m/s emite un sonido de
1500Hz. Calcular la variación de sonido percibida por las personas cuando el avión se
acerca.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
CUERDAS SONORAS
ENUNCIACIÓN
Cuando se hace vibrar una cuerda se produce en ella ondas estacionarias producidas por
interferencia de ondas incidentes y reflejadas, quedando en cada uno de sus extremos un
nodo.
Primer armónico
Cuando una cuerda vibra como lo muestra la figura formándose un vientre y dos nodos, se le
denomina primer armónico o fundamental.
En la misma cuerda se puede producir una onda estacionaria con tres nodos, la frecuencia f2
correspondiente a esta vibración se denomina segundo armónico.
De la misma manera se pueden producir ondas estacionarias con cuatro o más nodos
emitiendo además del tono fundamental, varios armónicos cuyas intensidades son menores
que las vibraciones de la frecuencia fundamental.
La longitud de la cuerda se puede hallar con la expresión:
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
Y la frecuencia de vibración de una cuerda se puede hallar mediante la ecuación:
n = número de armónicos
L = longitud de la cuerda
T = tensión
= Densidad lineal de la masa y esta dada en Kg/m
Ejemplo: Una cuerda de guitarra tiene 80 cm de longitud y una masa por unidad de longitud
de 0.4 g/cm. Determinar la frecuencia de sus dos primeros armónicos, si la cuerda se halla
sometida a una tensión de 4 Newton.
Solución:
Datos Conocidos
L = 80 cm que equivale 0.8 m
m = 0.4 g/cm que equivale 0.04 Kg/m
T = 4 Newton
Datos desconocidos:
F1= frecuencia del primer armónico
F2 = frecuencia del segundo armónico
Remplazando tenemos:
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
TUBOS SONOROS
EJERCITACIÓN
1. Explica cómo se puede producir sonido con un pequeño pedazo de manguera hueca.
2. ¿Qué instrumentos de viento conoces? Trata de explicar cómo funcionan.
3. En un instrumento de viento. ¿cómo influye la longitud?
Los tubos de viento son cavidades que con tienen aire y producen sonido al hacer vibrar las
moléculas de aire encerradas. Son recipientes de forma cilíndrica o prismática, de madera,
vidrio o metal pueden ser abiertos o cerrados.
TUBOS ABIERTOS: Para los tubos abiertos en sus dos extremos se forma un nodo (N)
intermedio y en sus extremos vientres (V), esto para la primera frecuencia. Cuando se
aumenta la presión, se conserva la forma pero existe un aumento de nodos y vientres. En la
gráfica se relaciona la longitud del tubo (L) con la longitud de onda presente en cada figura (
).
Para el n-ésimo armónico.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
Como se sabe que la velocidad del sonido se halla:
Entonces tendremos que:
Remplazando a
se obtiene:
TUBOS CERRADOS: Para los tubos cerrados en un extremo, al ejercer presión se produce
un antinodo en el extremo abierto y un nodo en el extremo cerrado. Al aumentar
gradualmente la presión con que se comprime el aire, las moléculas vibran como se observa
en la gráfica:
Para el n-ésimo armónico se tiene:
Para la frecuencia tenemos:
La anterior expresión se puede simplificar escribiendo:
Para un armonico impar
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
Ejemplo: Determinar la frecuencia y la longitud de onda del segmento armónico de un tubo:
a.
b.
c.
d.
e.
Abierto
Cerrado
De 40 cm de longitud
Sabiendo que la velocidad del sonido en el aire es de 340 m/s
n = 2 armónicos
Solución:
a. Según la ecuación de la frecuencia del segmento armónico en un tubo abierto tenemos:
b. Según la ecuación de la frecuencia del segundo armónico del tubo cerrado tenemos:
c. Según la ecuación de longitud de onda en su segundo armónico del tubo cerrado
tenemos:
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
SIMULACIÓN
A Trabajar!
Resolver las siguientes actividades en su cuaderno:
1. Realizar un friso donde se evidencia diferentes instrumentos de viento, como es su
funcionamiento tiempo y época que aparecieron en la vida cotidiana.
2. Realizar un mentefacto sobre los tubos sonoros.
EJERCITACIÓN
3. ¿Cuál debe ser la longitud de un tubo abierto para que el sonido fundamental tenga
por frecuencia 85 s-1?
4. Calcula la frecuencia del tercer armónico de un tubo cerrado de 0.6 m de longitud.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
AUDICIÓN
ENUNCIACIÓN
La audición son los procesos psicofisiológicos proporcionan al hombre
la capacidad de oír.
Más allá de las ondas sonoras
(física del sonido), el proceso de la
audición humana implica procesos
fisiológicos,
derivados
de
la
estimulación de los órganos de la
audición, y procesos psicológicos,
derivados del acto consciente de
escuchar un sonido.
Podemos dividir el sistema auditivo
en dos partes:
Sistema auditivo periférico (el oído), responsable de los procesos fisiológicos que
captan el sonido y lo envía al cerebro.
Sistema auditivo central (nervios auditivos y cerebro), responsable de los procesos
psicológicos que conforman lo que se conoce como percepción sonora.
RECEPECION DEL SONIDO: De los numerosos detectores de sonido notemos los dos
principales:
En el hombre la capacidad de percibir sonidos, se realiza por medio del oído.
Anatómicamente el oído tiene tres partes: el oído externo, medio e interno:
El oído externo, está formado por el pabellón auricular oreja y el conducto auditivo.
El oído medio, incluye el tímpano, la cadena de huesecillos (martillo, yunque y
estribo), las cavidades mastoideas y la trompa de Eustaquio.
El oído interno, consta de la ventana oval, cóclea o caracol, vestíbulo y canales
semicirculares.
El oído capta los sonidos de la siguiente manera: La oreja capta las ondas sonoras que se
transmiten a través del conducto auditivo hasta el tímpano. El tímpano es una membrana
flexible que vibra cuando le llegan las ondas sonoras, esta vibración llega a la cadena de
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
74
PGF03-R03
huesecillos que amplifican el sonido y lo transmite al oído interno a través de la ventana oval.
Finalmente las vibraciones "mueven" los dos líquidos que existen en la cóclea (perilinfa y
endolinfa), deformando las células ciliadas existentes en el interior. Estas células transforman
las ondas sonoras en impulsos eléctricos que llegan al nervio auditivo y de este nervio a la
corteza auditiva que es el órgano encargado de interpretar los sonidos.
MICROFONO: Trabaja con el mismo
principio del oído. Las ondas sonoras
ponen a vibrar una membrana M y esta
produce pequeñas señales eléctricas que
deben ser ampliadas A y que se puede
llevar después hasta un alta voz o una
grabadora.
SIMULACIÓN
A Trabajar!
Resolver las siguientes actividades en su cuaderno:
1. Realizar un mentefacto conceptual sobre el oído.
2. Crear un crucigrama didáctico donde se evidencie el funcionamiento del oído y sus
partes.
EJERCITACIÓN
3. En grupos de cuatro personas diseñamos un oído con materiales reciclables.
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL – Física 9
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PGF03-R03
PRACTICA DE LABORATORIO
SIMULACIÓN
Vamos a Jugar
Con la Óptica!
MATERIALES:
8 Vasos de agua
Jarra
Lápiz
PROCEDIMIENTO
1. Acomoda los vasos en una hilera y llena el primero con agua casi hasta el borde.
Golpea este vaso con lápiz y escucha el sonido. Ahora llana el segundo vaso, pero no
tanto como el primero. Golpéalo con el lápiz y compara su sonido, aumenta o
disminuye el nivel del agua del segundo vaso para producir una nota más alta que la
del primer vaso. Repite los pasos con los vasos que quedan, de modo que cada uno
de ellos tenga menos un poco de agua. Necesitaras experimentar un poco para
encontrar los niveles de agua adecuados, pero cuando al fin los tengas entonados
podrás producir sonidos musicales.
2. Dibuja el experimento
3. Explica que hace que se produzca el sonido
4. Golpea cada uno de los vasos con otro material que no sea el lápiz y explica lo que
sucede.
5. Escribe dos conclusiones sobre el experimento.
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PENSEMOS EN EL ICFES
DEM OSTRACIÓN
Conteste las preguntas 1,2 y 3 de acuerdo a la siguiente información:
EFECTO DOPPLER
El efecto Doppler, presente en todos los movimientos ondulatorios, tanto mecánicos como
electromagnéticos, posee muchas aplicaciones: los detectores de radar lo emplean para
medir la rapidez de los automóviles y de las pelotas en varios deportes; los astrónomos
utilizan el efecto Doppler de la luz de las galaxias distantes para medir su velocidad y reducir
su distancia; los médicos usan fuentes de ultrasonido para detectar las palpitaciones del
corazón en un feto.
1. Para el caso de un automóvil que toca la bocina y se halla en movimiento, es posible
afirmar que las crestas de onda:
a. Se vuelven más cercanas entre sí delante del automóvil y se separan en la región
situada detrás del auto.
b. Se separa más delante del automóvil y se vuelve más cercanas entre sí en la
región situada atrás del automóvil.
c. Se mueve con el auto y se sitúa detrás del mismo.
d. Mantiene su forma a medida que el auto avanza.
2. Si un observador se encuentra frente al automóvil, recibirá una vibración sonora de:
a.
b.
c.
d.
Menor longitud de onda
Mayor longitud de onda
Frecuencia menor
Frecuencia mayor
El efecto Doppler con la luz, al consistir en una variación de la frecuencia, se manifiesta
como el cambio del color de la luz percibida. Por ejemplo, si una persona se moviera en
dirección a un semáforo que está en rojo, recibirá una onda luminosa de mayor frecuencia
que si estuviera inmóvil.
3. El efecto Doppler con la luz es muy difícil de percibir, esto se debe a que para ello,
sería necesario que el observador o la fuente:
a.
b.
c.
d.
Se moviera con velocidades muy grandes
Se moviera con velocidades comparables a la de la luz.
Se moviera con velocidades muy pequeñas.
Se moviera con velocidades comparadas a las del sonido.
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PGF03-R03
Conteste las siguientes preguntas de acuerdo a la siguiente información:
EL MURCIELAGO
Sabemos que algunos animales son capaces de percibir el ultrasonido, los murciélagos, aun
cuando son casi ciegos, pueden volar sin chocar con ningún con obstáculo, porque emiten
ultrasonidos que luego captan sus oídos después de ser reflejados por dichos obstáculos.
La frecuencia ultrasónica que emite el murciélago y oye después, puede llegar hasta los
120000 Hz. Los murciélagos emplean ultrasonido para detectar y alcanzar un insecto en
pleno vuelo. Cuando el insecto se mueve más rápidamente que el murciélago, la frecuencia
reflejada es menor, pero si el murciélago está acercándose al insecto la frecuencia reflejada
es mayor.
4. Del texto anterior la frase. “porque emiten ultrasonidos que luego captan sus oídos
después de ser reflejados por dichos obstáculos”, se refiere al fenómeno físico
llamado:
a.
b.
c.
d.
Tono
Timbre
Eco
Difracción
5. Si el insecto se mueve más rápidamente que el murciélago la frecuencia reflejada es
menor, por tanto el efecto Doppler que se presenta hace referencia a:
a.
b.
c.
d.
Observador acercándose a la fuente.
Fuente acercándose al observador
Fuente y observador acercándose
Fuente alejándose del observador.
Un murciélago puede detectar pequeños objetos, un insecto por ejemplo, cuyo tamaño es
aproximadamente igual a una longitud de onda del sonido que emite el murciélago. Si los
murciélagos emiten un chirrido a una frecuencia de 60000 Hz y la rapidez del sonido en el
aire es de 340 m/s, el insecto más pequeño que puede detectar un murciélago es:
a.
b.
c.
d.
0.005m
0.05m
0.5m
0.0005m
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BIBLIOGRAFÍA



Física I, Prof. René Alexander Castillo
Física II, Prof. René Alexander Castillo, P 369-370
Módulo de Física Grado Noveno Colegio Franciscano Jiménez de Cisneros. P 2 a 5,
33 a 46, 52 a 54, 60 A 80, 84 A 86.
WEB GRAFÍA



www. wikipedia.org
descargas-docentes.blogspot.com
http://fisicageneral.usach.cl
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