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.

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1Fórmulas y métodos

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, 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

  1. Identifica el tipo de problema: velocidad de las ondas, nivel sonoro, onda estacionaria, Doppler, refracción, lente o espejo, o interferencia.
  2. 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.
  3. Convierte las unidades: nm, mm y cm a m, y comprueba si los ángulos se miden desde la normal.
  4. 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
t (s)x (cm)0,45 s

Una masa de 3,1 kg unida a un muelle con k = 240 N/m se desplaza 3 cm en sentido positivo y se suelta desde el reposo en t = 0. Halla su desplazamiento x respecto al equilibrio en t = 0,45 s (con signo).

m = 3,1 kgk = 240 N/mA = 3 cmt = 0,45 s
x = cm
2.Muelles y péndulosDifícil
2,1 kgk = 440 N/mA = 4 cm

Una masa de 2,1 kg unida a un muelle con k = 440 N/m se separa 4 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su velocidad máxima vmax.

m = 2,1 kgk = 440 N/mA = 4 cm
vmax = m/s
3.Ondas, sonido y ópticaMedia
L = 0,8 mn = 5

Un tubo abierto por ambos extremos mide 0,8 m de largo. La velocidad del sonido es 343 m/s. Halla la frecuencia f5 de su armónico número 5.

v = 343 m/sn = 5L = 0,8 m
f5 = Hz
4.Ondas, sonido y ópticaDifícil
θa​ = ?n1​ = 1,46n2​ = 1,45n0​ = 1,00

Una fibra óptica tiene un núcleo con n₁ = 1,46 y un revestimiento con n₂ = 1,45. Halla el mayor ángulo θa con el eje de la fibra con el que la luz del aire puede entrar por el extremo de la fibra y seguir guiada por reflexión interna total.

n1 = 1,46n2 = 1,45n0 = 1,00
θa = °

3Disoluciones

1.Muelles y péndulos

Respuesta: x = −2,051 cm

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.

Frecuencia angular

ω = √(240/3,1) = 8,799 rad/s
ω·t = 8,799·0,45 = 3,959 rad

Desplazamiento

x = A·cos(ω·t) = 3·cos(3,959) = −2,051 cm

Respuesta

x = −2,051 cm
2.Muelles y péndulos

Respuesta: vmax = 0,579 m/s

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 = √(440/2,1) = 14,47 rad/s

Velocidad máxima

vmax = A·ω = 0,04·14,47 = 0,579 m/s

Respuesta

vmax = 0,579 m/s
3.Ondas, sonido y óptica

Respuesta: f5 = 1072 Hz

Ondas estacionarias y efecto Doppler: una cuerda fija por ambos extremos, o un tubo abierto por ambos extremos, admite un número entero de semilongitudes de onda: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Un tubo cerrado por un extremo tiene un nodo en el extremo cerrado y un vientre en el abierto: L = nλ/4 solo con n impar, fn = n·v/(4L). Cuando la fuente o el observador se mueven a lo largo de la línea que los une, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): usa los signos superiores para el movimiento de acercamiento. Dos ondas de frecuencias casi iguales producen pulsaciones a |f₁ − f₂|.

Longitud de onda de este modo

λ = 2L/n = 2·0,8/5 = 0,32 m

Frecuencia

f = v/λ = 343/0,32 = 1072 Hz

Respuesta

f5 = 1072 Hz
4.Ondas, sonido y óptica

Respuesta: θa = 9,822 °

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.

Ángulo crítico en el revestimiento

sin θc = 1,45/1,46 = 0,9932 → θc = 83,29°

Apertura numérica

NA = √(1,46² − 1,45²) = 0,1706

Ángulo de aceptación

θa = arcsin(0,1706) = 9,822°

Respuesta

θa = 9,822°

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