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
¿Qué longitud debe tener un péndulo simple para que su periodo sea de 2,2 s? Usa g = 9,81 m/s². Halla L.
T = 2,2 sg = 9,81 m/s²
L = m
2.Muelles y péndulosDifícil
Una masa de 0,2 kg unida a un muelle con k = 500 N/m se separa 8 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla su aceleración máxima amax.
m = 0,2 kgk = 500 N/mA = 8 cm
amax = m/s²
3.Ondas, sonido y ópticaMedia
Una fuente pequeña emite sonido por igual en todas las direcciones. El nivel es de 60 dB a 1 m de ella. Halla el nivel β2 a 8 m, ignorando la absorción y las reflexiones.
β1 = 60 dBr1 = 1 mr2 = 8 m
β2 = dB
4.Ondas, sonido y ópticaDifícil
Luz de longitud de onda 450 nm pasa por una rendija simple de 0,15 mm de anchura. Halla el ángulo θ3 de la franja oscura número 3 respecto de la dirección de paso directo.
λ = 450 nma = 0,15 mmm = 3
θ3 = °
3Disoluciones
1.Muelles y péndulos
Respuesta: L = 1,203 m
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.
Despeja la longitud
L = g·(T/2π)² = 9,81·(2,2/2π)² = 1,203 m
Respuesta
L = 1,203 m
2.Muelles y péndulos
Respuesta: amax = 200 m/s²
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 = √(500/0,2) = 50 rad/s
Aceleración máxima
amax = A·ω² = 0,08·50² = 200 m/s²
Respuesta
amax = 200 m/s²
3.Ondas, sonido y óptica
Respuesta: β2 = 41,94 dB
Ondas: una onda periódica avanza una longitud de onda en un periodo, así que v = fλ con T = 1/f. En una cuerda tensa v = √(T/μ), con T la tensión y μ = m/L la masa por metro. El sonido en el aire viaja a unos 343 m/s a 20 °C, y la luz en el vacío a c = 3,00 × 10⁸ m/s. La sonoridad se mide en una escala logarítmica: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB con I₀ = 10⁻¹² W/m², así que una intensidad diez veces mayor suma 10 dB. Una fuente puntual reparte su potencia P sobre una esfera: I = P/(4πr²).
Razón de intensidades
I₂/I₁ = (1/8)² = 0,01563
Nuevo nivel
β₂ = 60 + 10·log₁₀(0,01563) = 41,94 dB
Respuesta
β2 = 41,94 dB
Cada vez que se duplica la distancia, el nivel baja unos 6 dB.
4.Ondas, sonido y óptica
Respuesta: θ3 = 0,5157 °
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, …
Condición de la franja oscura
sin θ = mλ/a = 0,009
θ = 0,5157°
Respuesta
θ3 = 0,5157°
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