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
L = 1,4 m

Un péndulo simple tiene una longitud de 1,4 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla su periodo T para oscilaciones pequeñas.

L = 1,4 mg = 9,81 m/s²
T = s
2.Muelles y péndulosDifícil
mk = 410 N/mA = 7 cmx = 1 cm

Una masa unida a un muelle con k = 410 N/m oscila sobre una superficie sin rozamiento con una amplitud de 7 cm. Halla la energía U almacenada en el muelle cuando la masa está a 1 cm del equilibrio.

k = 410 N/mA = 7 cmx = 1 cm
U = J
3.Ondas, sonido y ópticaMedia
S25 m/sOf = 500 Hz

Una fuente de 500 Hz se mueve a 25 m/s alejándose de un observador en reposo. La velocidad del sonido es 343 m/s. Halla la frecuencia f′ que oye el observador.

f = 500 Hzv = 343 m/svs = 25 m/s
f′ = Hz
4.Ondas, sonido y ópticaDifícil
θn1​ = 1,48n2​ = 1,46n0​ = 1,00

Una fibra óptica tiene un núcleo con n₁ = 1,48 y un revestimiento con n₂ = 1,46. Halla su apertura numérica NA.

n1 = 1,48n2 = 1,46
NA =

3Disoluciones

1.Muelles y péndulos

Respuesta: T = 2,374 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.

Periodo del péndulo

T = 2π·√(1,4/9,81) = 2,374 s

Respuesta

T = 2,374 s
2.Muelles y péndulos

Respuesta: U = 0,0205 J

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.

Energía total

E = ½·k·A² = ½·410·0,07² = 1,005 J

Energía del muelle en x

U = ½·k·x² = ½·410·0,01² = 0,0205 J

Respuesta

U = 0,0205 J
3.Ondas, sonido y óptica

Respuesta: f′ = 466 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|.

Fórmula del efecto Doppler

f′ = f·(v − vo)/(v + vs) = 500·(343 − 0)/(343 + 25)
f′ = 466 Hz

Respuesta

f′ = 466 Hz
4.Ondas, sonido y óptica

Respuesta: NA = 0,2425

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 = 1,46/1,48 = 0,9865 → θc = 80,57°

Apertura numérica

NA = √(1,48² − 1,46²) = 0,2425

Respuesta

NA = 0,2425

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