Muelles y péndulos
- Masa en un muelle
- T = 2π·√(m/k)
- Péndulo
- T = 2π·√(L/g)
- Frecuencia angular
- ω = √(k/m) = 2π/T
- Velocidad y aceleración máximas
- vmax = A·ω, amax = A·ω²
- Energía
- E = ½·k·A²
Ondas y óptica: pack de repaso
Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 4 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.
1Fórmulas y métodos
Ondas, sonido y óptica
- Velocidad de la onda
- v = fλ, T = 1/f
- Cuerda
- v = √(T/μ), μ = m/L
- Nivel sonoro
- β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
- Fuente puntual
- I = P/(4πr²)
- Ondas estacionarias
- cuerda o tubo abierto fn = n·v/(2L); tubo cerrado fn = n·v/(4L), n impar
- Efecto Doppler
- f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
- Índice de refracción
- n = c/v, λ = λ0/n
- Ley de Snell
- n1sin θ1 = n2sin θ2
- Ángulo crítico
- sin θc = n2/n1
- Fibra óptica
- NA = sin θa = √(n1² − n2²)
- Lentes y espejos
- 1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
- Doble rendija
- d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
- Red de difracción
- d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
- Rendija simple
- a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a
Método
- Identifica el tipo de problema: velocidad de las ondas, nivel sonoro, onda estacionaria, Doppler, refracción, lente o espejo, o interferencia.
- Escribe primero la relación: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) o n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
- Convierte las unidades: nm, mm y cm a m, y comprueba si los ángulos se miden desde la normal.
- Comprueba los signos y la plausibilidad: una imagen virtual tiene dᵢ < 0, una fuente que se acerca suena más aguda, un tubo cerrado solo tiene armónicos impares.
2Problemas de práctica
1.Muelles y péndulosMedia
Una astronauta en otro planeta comprueba que un péndulo simple de 1,4 m de longitud tiene un periodo de 3,85 s para oscilaciones pequeñas. Halla la aceleración de la gravedad g en ese planeta.
L = 1,4 mT = 3,85 s
g = m/s²
2.Muelles y péndulosDifícil
Una masa de 3,3 kg unida a un muelle con k = 340 N/m se separa 9 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla la energía total E de la oscilación.
m = 3,3 kgk = 340 N/mA = 9 cm
E = J
3.Ondas, sonido y ópticaMedia
Un objeto de 1 cm de altura está a 6 cm delante de una lente delgada convergente con una distancia focal de 20 cm. Halla la altura de la imagen hi (negativa para una imagen invertida).
ho = 1 cmdo = 6 cmf = 20 cm
hi = cm
4.Ondas, sonido y ópticaDifícil
Luz de longitud de onda 550 nm incide en ángulo recto sobre una red con 800 líneas por milímetro. Halla el ángulo θ2 del máximo de orden 2.
N = 800 mm⁻¹λ = 550 nmm = 2
θ2 = °
3Disoluciones
1.Muelles y péndulos
Respuesta: g = 3,729 m/s²
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
Despeja g
g = 4π²·L/T² = 4π²·1,4/3,85² = 3,729 m/s²
Respuesta
g = 3,729 m/s²
2.Muelles y péndulos
Respuesta: E = 1,377 J
Movimiento armónico simple: una masa m en un muelle de constante elástica k oscila con frecuencia angular ω = √(k/m) y periodo T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Un péndulo simple de longitud L tiene T = 2π·√(L/g). Con amplitud A, la velocidad máxima es A·ω, la aceleración máxima A·ω² y la energía ½·k·A².
Frecuencia angular
ω = √(340/3,3) = 10,15 rad/s
Energía
E = ½·k·A² = ½·340·0,09² = 1,377 J
Respuesta
E = 1,377 J
3.Ondas, sonido y óptica
Respuesta: hi = 1,429 cm
Óptica geométrica: en una frontera, n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (ley de Snell), con los ángulos medidos desde la normal y n = c/v. Al pasar a un medio más lento el rayo se acerca a la normal. Desde un medio más denso (n₁ > n₂), más allá del ángulo crítico θc = arcsin(n₂/n₁), toda la luz se refleja: reflexión interna total. Las lentes delgadas y los espejos esféricos obedecen a 1/f = 1/do + 1/di con el aumento m = −di/do. Convenio de signos: f > 0 para una lente convergente y un espejo cóncavo (f = R/2), f < 0 para una lente divergente y un espejo convexo; di > 0 para una imagen real, di < 0 para una virtual, y m < 0 para una imagen invertida.
Ecuación de la lente delgada
1/di = 1/f − 1/do = 1/20 − 1/6
di = −8,571 cm
Aumento y altura
m = −(−8,571)/6 = 1,429
hi = 1,429·1 = 1,429 cm
Respuesta
hi = 1,429 cm
4.Ondas, sonido y óptica
Respuesta: θ2 = 61,64 °
Interferencia y difracción: la luz de dos rendijas separadas una distancia d llega a un punto de la pantalla con una diferencia de camino d·sin θ. Las franjas brillantes aparecen donde d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Para una pantalla a una distancia L ≫ d, la m-ésima franja brillante está en y = mλL/d y la separación entre franjas es Δy = λL/d. Una red con N líneas por milímetro tiene d = 1/N y máximos nítidos en d·sin θ = mλ; como sin θ ≤ 1, el orden más alto es el mayor entero m ≤ d/λ. Una sola rendija de anchura a tiene franjas oscuras en a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …
Separación entre líneas
d = 1/800 mm = 1,25 × 10⁻⁶ m
Ecuación de la red
sin θ = mλ/d = 2·550 × 10⁻⁹/(1,25 × 10⁻⁶) = 0,88
θ = 61,64°
Respuesta
θ2 = 61,64°
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