FISICA 2 UNIDAD III ONDAS MECANICAS Y ELECTROMAGNETICAS.

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1 FISICA 2 UNIDAD III ONDAS MECANICAS Y ELECTROMAGNETICAS

2 DICIEMBRE 2004 TERREMOTO EN EL OCEANO ÍNDICO Y TSUNAMI

3 TSUNAMI – onda de agua generada por un terremoto
NY Times

4 Ondas mecánicas Las ondas son perturbaciones que viajan en un medio material y son capaces de transportar energía.

5 Ondas en un resorte En un resorte se pueden producir dos tipos de perturbaciones según sea la dirección de aplicación de una fuerza repetitiva.

6 Ondas transversales Son aquellas en que el medio se mueve perpendicularmente a la dirección en que viaja la onda.

7 Ondas longitudinales Son aquellas donde el medio vibra paralelamente a la dirección de propagación de la onda.

8 Combinación de ondas Las ondas en la superficie del agua (mar profundo) son una combinación de ondas transversales y longitudinales. Un elemento del medio oscila en una trayectoria circular.

9 Ondas en un resorte

10 Comportamiento en la frontera
El comportamiento de una onda cuando alcanza el fin de su medio es llamado COMPORTAMIENTO EN LA FRONTERA de la onda. Cuando un medio termina y otro comienza, es llamado frontera.

11 Extremo fijo Un tipo de frontera que encuentra la onda es aquel donde el extremo es fijo. En este caso, el fin del medio no es capaz de moverse. ¿Qué ocurrirá si un pulso ondulatorio llega al final del medio y encuentra el extremo fijo?

12 Extremo fijo Aquí el pulso incidente es un pulso hacia arriba.
El pulso reflejado es invertido hacia abajo. El pulso reflejado tiene la misma rapidez, longitud de onda, y amplitud que el pulso incidente.

13 Animación con extremo fijo

14 Extremo libre Otro tipo de frontera es cuando el medio de la onda esta sujeto a un objeto estacionario como extremo libre. En esta situación, el final del medio se desliza hacia arriba y abajo. ¿Qué sucede en este caso?

15 Extremo libre Aquí el pulso reflejado no es invertido.
Es idéntico al pulso incidente, excepto que se mueve en la dirección opuesta. La rapidez, longitud de onda, y la amplitud son las mismas del pulso incidente.

16 Animación con extremo libre

17 Change in Medium Our third boundary condition is when the medium of a wave changes. Think of a thin rope attached to a thin rope. The point where the two ropes are attached is the boundary. At this point, a wave pulse will transfer from one medium to another. What will happen here?

18 Change in Medium In this situation part of the wave is reflected, and part of the wave is transmitted. Part of the wave energy is transferred to the more dense medium, and part is reflected. The transmitted pulse is upright, while the reflected pulse is inverted.

19 Change in Medium The speed and wavelength of the reflected wave remain the same, but the amplitude decreases. The speed, wavelength, and amplitude of the transmitted pulse are all smaller than in the incident pulse.

20 Change in Medium Animation
Test your understanding

21 Animación cambiando de medio

22 Características de la ondas
Las ondas se describen mediante su longitud de onda: La distancia desde el punto más alto de una cresta al punto más alto de la siguiente cresta.

23 Periodo: es el tiempo que le toma a una onda completar una vibración.

24 Amplitud: es la distancia del punto medio (línea recta) a la cresta o valle de la onda.

25 Frecuencia: Es el número vibraciones (oscilaciones completas) que hace la onda en un segundo.
Comparando con la definición de periodo, encontramos que ambas cantidades son recíprocas, esto es 1 1 Frecuencia = ; f = periodo T La unidad de frecuencia es el hertz (Hz).

26 Rapidez de una onda Puesto que la onda recorre una longitud de onda  en el lapso de un periodo T, entonces la rapidez de la onda es: longitud de onda  rapidez = = =  f periodo T

27 Reflexión Se llama al fenómeno que sucede cuando una onda choca con un objeto y es capaz de “rebotar”.

28 La luz se refleja en los espejos.

29 ¡Veamos un video!

30 Refracción Es el cambio de velocidad que sufre una onda cuando pasa de un medio a otro.

31 La refracción de la luz en el agua hace aparecer el lápiz doblado.

32 ¡Veamos un video!

33 Interferencia Este fenómeno ocurre cuando dos o más ondas se presentan en el mismo espacio al mismo tiempo. La interferencia puede ser constructiva, destructiva o parcial.

34 Ejemplo de interferencia de ondas en el agua.

35 ¡Veamos un video!

36 Difracción Se le llama así a la propiedad de las ondas de rodear los objetos que se presentan en su camino.

37 Las ondas en el agua sufren difracción cuando pasan a través de una rendija, de ondas planas se convierten en ondas radiales.

38 ¡Veamos un video!

39 Polarización Una onda se dice polarizada si vibra en un plano.

40 Los ejes de polarización de los anteojos Polaroid son verticales, ya que todo el fulgor deslumbrante se refleja desde superficies horizontales.

41 Para ver películas en 3D se utilizan lentes polarizados.

42 ¡Veamos un video!

43 Resonancia Ocurre cuando la frecuencia de las vibraciones forzadas sobre un objeto es comparable a la frecuencia natural del objeto, aumentando considerablemente su amplitud.

44 ¡Veamos un video!

45 Sonido Suele definirse el sonido como toda vibración que produce un cuerpo material de frecuencia entre los 20 Hz y los Hz.

46 El sonido no se puede propagar en el vacío.

47 La velocidad del sonido depende de las condiciones del viento, la temperatura y la humedad.

48 Infrasonido Se llama al sonido de frecuencia menor a los 20 Hz. Los elefantes se comunican mediante infrasonidos.

49 Ultrasonido Se llama al sonido de frecuencia mayor de Hz. Los murciélagos emiten ultrasonidos que se reflejan en los objetos permitiéndoles orientarse.

50 Cualidades del sonido El tono es el equivalente de la frecuencia.

51 La sonoridad indica la amplitud de la onda.

52 Intensidad del sonido La sonoridad relativa de un sonido que percibe el oído humano se llama nivel sonoro y se mide en decibeles. Las medidas en decibeles son logarítmicas.

53 Los instrumentos musicales suenan distinto, aún cuando tocan la misma nota, debido a que casi todos los sonidos están compuestos por un gran número de frecuencias. La calidad del sonido depende de las intensidades relativas de estas frecuencias. En música, se llama timbre a la calidad del sonido.

54 Efecto Doppler Es el cambio de frecuencia debido al movimiento de la fuente (o receptor) de sonido.

55 Gracias al efecto Doppler se descubrió la expansión el universo

56 LA LUZ

57 Naturaleza de la luz Teoría corpuscular (Newton): la luz está compuesta por diminutas partículas materiales emitidas a gran velocidad por los cuerpos luminosos. La teoría de Newton se fundamenta en estos puntos: Propagación rectilínea. La luz se propaga en línea recta porque los corpúsculos que la forman se mueven a gran velocidad.  Reflexión. se sabe que la luz al chocar contra un espejos se refleja. Newton explicaba este fenómeno diciendo que las partículas luminosas son perfectamente elásticas y por tanto la reflexión cumple las  leyes del choque elástico. Refracción. El hechos de que la luz cambie la velocidad en medios de distinta densidad, cambiando la dirección de propagación, tiene difícil explicación con la teoría corpuscular. Sin embargo Newton supuso que la superficie de separación de dos medios de distinto índice de refracción ejercía una atracción sobre las partículas luminosas, aumentando así la componente normal de la velocidad mientras que la componente tangencial permanecía invariable. Según esta teoría la luz se propagaría con mayor velocidad en medios más densos. Es uno de los puntos débiles de la teoría corpuscular.

58 Teoría ondulatoria (Huygens): la luz se propaga mediante ondas emitidas por un objeto luminoso.
Fue idea del físico holandés C. Huygens. La luz se propaga mediante ondas mecánicas emitidas por un foco luminoso. La luz para propagarse necesitaba un medio material de gran elasticidad, impalpable que todo lo llena, incluyendo el vacío, puesto que la luz también se propaga en él. A este medio se le llamó éter. La energía luminosa no está concentrada en cada partícula, como en la teoría corpuscular sino que está repartida por todo el frente de onda. El frente de onda es perpendicular a las direcciones de propagación. La teoría ondulatoria explica perfectamente los fenómenos luminosos mediante una construcción geométrica llamada principio de Huygens. además según esta teoría, la luz se propaga con mayor velocidad en los medios menos densos. a pesar de esto, la teoría de Huygens fue olvidada durante un siglo debido a la gran autoridad de Newton. En 1801 el inglés T. Young dio un gran impulso a la teoría ondulatoria explicando el fenómeno de las interferencias y midiendo las longitudes de onda correspondientes a los distintos colores del espectro.

59 Espectro electromagnético
A finales del siglo XIX se sabía ya que la velocidad de la luz en el agua era menor que la velocidad de la luz en el aire contrariamente a las hipótesis de la teoría corpuscular de Newton. En 1864 Maxwell obtuvo una serie de ecuaciones fundamentales del electromagnetismo y predijo la existencia de ondas electromagnéticas. Maxwell supuso que la luz representaba una pequeña porción del espectro de ondas electromagnéticas. Hertz confirmó experimentalmente la existencia de estas ondas. El estudio de otros fenómenos como la radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico y los espectros atómicos puso de manifiesto la impotencia de la teoría ondulatoria para explicarlos. En 1905, basándose en la teoría cuántica de Planck, Einstein explicó el efecto fotoeléctrico por medio de corpúsculos de luz que él llamó fotones. Bohr en 1912 explicó el espectro de emisión del átomo de hidrógeno, utilizando los fotones, y Compton en 1922 el efecto que lleva su nombre apoyándose en la teoría corpuscular de la luz. Apareció un grave estado de incomodidad al encontrar que la luz se comporta como onda electromagnética en los fenómenos de propagación , interferencias y difracción y como corpúsculo en la interacción con la materia.    No hay por qué aferrarse a la idea de incompatibilidad entre las ondas y los corpúsculos, se trata de dos aspectos diferentes de la misma cuestión que no solo no se excluyen sino que se complementan.

60 Rayos de luz Como la luz viaja en línea recta, unos rayos pueden representar la dirección de las ondas de luz.

61 Rayos de luz

62 Determinación de la rapidez de la luz
El astrónomo Olaf Roemer fue el primero en hacer los cálculos de la rapidez de la luz utilizando datos de observaciones astronómicas.

63 Velocidad de la luz La velocidad de la luz en el vacío es de km/s. Y es el límite de velocidad para todos los cuerpos materiales.

64 Ley de la reflexión de la luz
El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.  i =  r

65 Aplicación de la reflexión: la fibra óptica

66 Reflexión difusa y especular
Los rayos de luz incidentes en cualquier tipo de superficies obedecen la ley de la reflexión.

67 Índice de refracción El índice de refracción n de cualquier sustancia se define como la razón de la rapidez de la luz en el vacío c a la rapidez de la luz en la sustancia v. c n = v

68 Ley de la refracción de la luz
Ley de Snell: la razón entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es constante. n1 sen 1 = n2 sen 2

69 Refracción y reflexión total de la luz

70 El color del cielo al atardecer se debe a la refracción de la luz

71 Interferencia de la luz
Anillos de interferencia. Con un aparato que emite rayos láser podemos producir bellos anillos de interferencia de la luz (Figura 26). El rayo se hace pasar por un orificio hecho en un cartón, se refleja posteriormente en un espejo en el que se depositó polvo de grafito de un lápiz, para dispersar un poco el rayo láser. Al regresar el rayo y pasar nuevamente por el orificio produce el espectro de interferencia en el cartón. La luz del rayo que usamos es de un rojo intenso, lo mismo que los anillos brillantes. El rayo láser se hizo más visible por medio de humo de cigarro.

72 La interferencia de la luz crea patrones de colores brillantes en las mariposas
Los colores brillantes y reflectantes de las alas de algunas especies, como las de este uránido de Madagascar (Chrysirirdia madagascarensis) se deben a la microestructura de las escamas, que crea un efecto de interferencia característico. Por lo demás, al variar la inclinación del eje de incidencia de la luz, ésta se descompone en los distintos colores del espectro, originando el brillo irisado que tanto fascinó a los artífices victorianos que utilizaron las alas de esta mariposa en la confección de joyas.

73 Difracción de la luz La sombra de una navaja. Los efectos de los bordes se deben a la difracción de la luz. No es usual observar la difracción de la luz: la longitud de las ondas de la luz es sumamente pequeña, pequeñísima comparada con el tamaño de los objetos que nos rodean. Pero aun así, hay métodos sencillos para poner en evidencia el fenómeno. Por ejemplo, si coloca usted sus manos frente a sus ojos, de tal manera que sólo pueda pasar la luz por una delgada rendija entre dos dedos, podrá observar bandas oscuras y claras, paralelas a los bordes de la rendija. De hecho, el italiano F. Grimaldi descubrió en 1650 la difracción de la luz al observar cuidadosamente la sombra de un cabello. Como resultado de la difracción de la luz, los contornos de las sombras pierden su nitidez; la frontera entre luz y sombra deja de ser clara. En la zona del borde aparecen franjas claras y oscuras, como se ilustra en la figura.

74 Difracción de la luz en un eclipse anular de sol

75 ¡Sólo las ondas transversales se pueden polarizar!
Polarización de la luz ¡Sólo las ondas transversales se pueden polarizar! Una diferencia importante entre los dos tipos de onda es que las transversales se pueden polarizar, mientras que las longitudinales no. Para entender lo que esto significa veamos la figura 22, en la que se dejan caer palillos a través de una coladera hecha de hilos paralelos. En el caso (a), todos los palillos pasan, pero en el caso (b) sólo aquellos que están orientados en la dirección de los hilos. Podemos decir entonces que esta coladera es como un polarizador, porque del conjunto de palillos que le llegan con todas las orientaciones posibles sólo deja pasar aquellos que tienen una determinada orientación. Una araña vista a través de un microscopio de luz polarizada. La araña está colocada entre dos polarizadores.

76 Dispersión de la luz La dispersión de la luz solar por la atmósfera le da el color azul al cielo y a las nubes. La primera interpretación consistente del color azul del cielo se publicó en 1868 y fue debida a John Tyndall ( ), compañero de investigaciones y sucesor de Michael Faraday ( ) en la "Royal Institution ". Tyndal descubrió experimentalmente que la luz azul y violeta de uno de los extremos del espectro visible era difundida débilmente por toda suspensión formada por partículas sólidas muy pequeñas. Para que el fenómeno se produjera con la luz roja del otro extremo del espectro era preciso emplear una suspensión de partículas más voluminosas. Debido a estos trabajos, a Tyndall se le considera hoy el creador de la nefelometría , y precursor de otras técnicas más complejas, como la espectroscopia. Tyndall creyó que el color azul del cielo era producido por la reflexión de la luz solar no incidente en la Tierra por las partículas suspendidas en el aire, tales como agua, hielo, humo, aerosoles o polvo. En aquella época, uno de los científicos más eminentes de todos los tiempos, James Clerk Maxwell ( ), estaba interesado en el estudio de la teoría cinética de los gases que implicaba una hipótesis corpuscular de la materia. Como confirmación de sus ideas, Maxwell le planteó a Lord Rayleigh el problema de calcular el índice de refracción de un gas hipotético formado por partículas esféricas con una densidad y un tamaño dados. La intención de Maxwell era conseguir información acerca del tamaño real de las moléculas que, para otros científicos, no eran más que ensueños mecanicistas. En 1899, Rayleigh pudo afirmar: "incluso en ausencia de partículas extrañas tendríamos un cielo azul", pues en sus cálculos había sustituido las partículas en suspensión usadas por Tyndall, por las propias moléculas de aire tal como le había propuesto Maxwell. De esa manera, se vio obligado a sustituir el término " reflexión" , empleado hasta entonces, por el de " dispersión" ("scattering ") que aún hoy se conserva.

77 ESPEJOS Y LENTES

78 Espejo plano Es una superficie plana pulida que produce imágenes de los objetos gracias a la reflexión de la luz.

79 Espejos esféricos Espejo cóncavo Espejo convexo

80 Espejo cóncavo Un espejo cóncavo refleja la luz desde la parte curva interna. Un espejo real tiene tres dimensiones. ¡Observa los rayos principales!

81 Imágenes Formadas por un Espejo Cóncavo

82 Imágenes Formadas por un Espejo Cóncavo

83 Espejo cóncavo

84 Espejo convexo Un espejo convexo es un espejo esférico que refleja la luz desde su superficie exterior. Los espejos convexos hacen que los rayos provenientes de un objeto diverjan. Por lo tanto los espejos convexos nunca forman imágenes reales. El punto focal de un espejo convexo se encuentra detrás del espejo. La distancia focal de un espejo convexo siempre es negativa. Los espejos convexos siempre forman imágenes virtuales.

85 Imagen Formada por un Espejo Convexo

86 Espejo convexo

87 Ecuación del espejo

88 Lentes Una lente es un medio transparente limitado por al menos una superficie curva.

89 Tipos de lentes Lente positiva o Lente negativa o
Hay dos tipos de lentes: convergentes y divergentes. En la lentes convergentes el foco imagen está a la derecha de la lente, f´ > 0. En la lentes divergentes el foco imagen está a la izquierda de la lente, f´ < 0. Las lentes convergentes son más gruesas por el centro que por los extremos, mientras que las divergentes son más gruesas por los extremos que por el centro. Se define además la potencia de una lente como la inversa de su distancia focal imagen P=1/f´ y mide la mayor o menor convergencia de los rayos emergentes, a mayor potencia mayor convergencia de los rayos. La unidad de potencia de una lente es la dioptría, que se define como la potencia de una lente cuya distancia focal es de un metro. Lente positiva o Lente negativa o convergente divergente

90 Rayos refractados por una lente

91 Rayos principales para una lente convergente
La construcción de imágenes es muy sencilla si se utilizan los rayos principales: - Rayo paralelo: Rayo paralelo al eje óptico que parte de la parte superior del objeto. Después de refractarse pasa por el foco imagen. - Rayo focal: Rayo que parte de la parte superior del objeto y pasa por el foco objeto, con lo cual se refracta de manera que sale paralelo . Después de refractarse pasa por el foco imagen. - Rayo radial: Rayo que parte de la parte superior del objeto y está dirigido hacia el centro de curvatura del dioptrio. Este rayo no se refracta y continúa en la mismas

92 Rayos principales para una lente divergente

93 Ecuación de la Lente

94 Rayos X Los rayos X son ondas electromagnéticas de alta frecuencia generados cuando electrones chocan contra un ánodo. En 1895, en Alemania, Wilhelm Roentgen llevó a cabo un experimento en el cual envió un haz de electrones por un tubo al vacío. Observó que cuando los electrones golpeaban el vidrio del tubo, aparecía un destello sobre una pantalla fosforescente colocada cerca del tubo. El destello persistía aun cuando se colocaba un pedazo de madera entre el tubo y la pantalla. Descubrió, además, que los músculos y otros tejidos suaves resultaban transparentes para estos rayos, mientras que los huesos los bloqueaban. Inmediatamente los médicos se dieron cuenta de su potencial aplicación.