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 = 0,5 mT = 1,49 s

Una astronauta en otro planeta comprueba que un péndulo simple de 0,5 m de longitud tiene un periodo de 1,49 s para oscilaciones pequeñas. Halla la aceleración de la gravedad g en ese planeta.

L = 0,5 mT = 1,49 s
g = m/s²
2.Muelles y péndulosDifícil
2,7 kgk = 70 N/mA = 4 cm

Una masa de 2,7 kg unida a un muelle con k = 70 N/m se separa 4 cm de la posición de equilibrio y se suelta. Halla la energía total E de la oscilación.

m = 2,7 kgk = 70 N/mA = 4 cm
E = J
3.Ondas, sonido y ópticaMedia
70 dB?1 m10 m

Una fuente pequeña emite sonido por igual en todas las direcciones. El nivel es de 70 dB a 1 m de ella. Halla el nivel β2 a 10 m, ignorando la absorción y las reflexiones.

β1 = 70 dBr1 = 1 mr2 = 10 m
β2 = dB
4.Ondas, sonido y ópticaDifícil
Fdo​ = 10 cmR = 50 cm

Un objeto está a 10 cm delante de un espejo convexo con un radio de curvatura de 50 cm. Halla la distancia de la imagen di, positiva para una imagen delante del espejo (real) y negativa para una detrás de él (virtual).

do = 10 cmR = 50 cm
di = cm

3Disoluciones

1.Muelles y péndulos

Respuesta: g = 8,891 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 = 4π²·0,5/1,49² = 8,891 m/s²

Respuesta

g = 8,891 m/s²
2.Muelles y péndulos

Respuesta: E = 0,056 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 = √(70/2,7) = 5,092 rad/s

Energía

E = ½·k·A² = ½·70·0,04² = 0,056 J

Respuesta

E = 0,056 J
3.Ondas, sonido y óptica

Respuesta: β2 = 50 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 = (1/10)² = 0,01

Nuevo nivel

β₂ = 70 + 10·log₁₀(0,01) = 50 dB

Respuesta

β2 = 50 dB

Cada vez que se duplica la distancia, el nivel baja unos 6 dB.

4.Ondas, sonido y óptica

Respuesta: di = −7,143 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.

Distancia focal

f = −R/2 = −25 cm

Ecuación del espejo

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−25) − 1/10
di = −7,143 cm
F10 cmf = −25 cm

Diagrama de rayos

imagen virtual detrás del espejo

Respuesta

di = −7,143 cm

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