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FISICA III CUBETA DE ONDAS EDWIN GIOVANNI MARROQUIN BELLO

COD. 40151270

RESUMEN El presente artículo tiene por objetivos medir la velocidad de propagación de una onda, medir esta misma velocidad en ondas estacionarias, medir unos ángulos de refracción y reflexión, medir velocidad de propagación en difracción y en interferencia; para que se pudiera llevar a cabo esta práctica fue necesario revisar que los instrumentos que utilizamos funcionaran y no fueran de útil ayuda en el proceso de la práctica. La práctica consiste en analizar el comportamiento experimental de una onda, dentro del montaje (cubeta de ondas). La práctica se enfoca en la observación, generación y propagación de pulsos y ondas de tipo periódicas sobre la superficie del agua, donde al ser empleados tanto la cubeta de ondas como el espectrómetro, se analiza este fenómeno con gran facilidad con el objetivo de verificar tanto el frente de onda, como la ley de reflexión, principio de Huygens (principio de superposición) además de los fenómenos de difracción e interferencia. ABSTRAC The objective of this article is to measure the velocity of propagation of a wave, measure the same speed standing waves, measure angles of refraction and reflection, measuring velocity of propagation diffraction and interference; so that it could carry out this practice was necessary to review the instruments we use worked and were not useful help in the process of practice. The practice is to analyze the experimental behavior of a wave within the assembly (wave trough). The practice focuses on observation, generation and propagation of pulses and waves of periodic type on the surface of the water, where to be employed both wave trough as the spectrometer, is this phenomenon analyzed easily in order to verify both the wavefront, as the law of reflection, Huygens' principle (principle of superposition) in addition to the diffraction and interference phenomena. PALABRAS CLAVE: Onda, Frecuencia, Velocidad de propagación, Incidencia, Reflexión, Difracción, Interferencia. KEYWORDS: Wave, frequency, propagation speed, Incidence, reflection, diffraction, interference.

INTRODUCCIÓN En la naturaleza existen fenómenos tan importantes como la luz y el sonido los cuales se propagan por medio de ondas, haciendo que el estudio del movimiento ondulatorio sea de gran interés y relevancia. Las ondas implican transporte de energía pura mediante deformación o cambio de propiedades del medio, hay algunas ondas que se propagan en medios materiales como el sonido, las ondas símicas, las ondas del mar que corresponden a vibraciones mecánicas de un medio material, otras ondas se propagan en un medio con propiedades físicas, las cuales corresponden a ondas de naturaleza electromagnéticas como lo son la luz, las ondas de radio, los rayos x, la radiación ultravioleta, la radiación infrarroja. Él movimiento ondulatorio se puede considerar como una propagación de energía y cantidad de movimiento desde un punto del espacio a otro sin transporte de materia. Durante el desarrollo de la práctica se estudiará el movimiento ondulatorio observando fenómenos relacionados con ondas mecánicas, en donde la perturbación sobre agua genera la propagación de la onda a través del medio material elástico. Para obtener el % de errores se utiliza la ecuación

|

E %=

|

Error TEORICO−Error EXPERIMENTAL × 100 Error TEORICO

(1.4).

MARCO TEORICO Ondas: Las ondas son perturbaciones que transportan energía de un lugar a otro del espacio. Ondas mecánicas: Las ondas mecánicas necesitan un medio elástico (liquido como el agua) para propagarse. Las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio. La velocidad puede ser afectada por algunas características del medio como: la homogeneidad, la elasticidad, la densidad y la temperatura. Algunos elementos de la onda Amplitud(A): La amplitud es la distancia vertical entre una cresta y el punto medio de la onda. Frecuencia (f): Número de veces que es repetida dicha vibración por unidad de tiempo. En otras palabras, es una simple repetición de valores por un período determinado. Longitud de onda (λ): Es la distancia que hay entre el mismo punto de dos ondulaciones consecutivas, o la distancia entre dos crestas consecutivas. Nodo: Es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.

Velocidad de propagación (v): Es la velocidad a la que se propaga el movimiento ondulatorio. Su valor es el cociente de la longitud de onda y su período. Siendo T periodo. Pulso: Perturbación de corta duración generada en el estado natural de un punto de un medio material que se transmite por dicho medio. Cubeta de ondas La cubeta de ondas es un dispositivo empleado en experimentos relacionados con la propagación de ondas en un medio líquido como el agua. La base del dispositivo es un contenedor rectangular en cuyo fondo se sitúa un espejo. En un extremo se encuentra una barra conectada por un brazo a un motor eléctrico que provoca que la barra realice un movimiento vertical constante. Es posible cambiar la frecuencia del motor para que la velocidad de la barra se modifique. El contenedor se rellena con el líquido. Sobre todo, el conjunto se encuentra un emisor de luz cuyo reflejo, en virtud del espejo, se puede ver en una pantalla sobre la cubeta. Para completar los utensilios a emplear en las experiencias, se utilizarán barra metálica plana recta, cóncava y otros obstáculos que se colocarán sobre la superficie del espejo los cuales actuarán como "espejos" donde las ondas se reflejarán. En la cubeta de ondas, Las imágenes se proyectan sobre una pantalla translúcida integrada en la cubeta o bien sobre una pared. En uno de los experimentos se analiza la ecuación de la velocidad de propagación, la frecuencia de vibración y la longitud de onda. Se toman medidas diferentes de λ para frecuencias y de dicha gráfica se calcula la velocidad de propagación. En otro experimento se estudia la variación de la longitud de onda (y de la velocidad) en función de la profundidad del agua. Componentes de la cubeta de ondas Fenómenos ondulatorios Reflexión de las ondas Se denomina reflexión de una onda al cambio de dirección que experimenta ésta cuando choca contra una superficie lisa y pulimentada sin cambiar de medio de propagación. Si la reflexión se produce sobre una superficie rugosa, la onda se refleja en todas direcciones y se llama difusión. En la reflexión hay tres elementos: rayo incidente, línea normal o perpendicular a la superficie y rayo reflejado. Se llama ángulo de incidencia al que forma la normal con el rayo incidente y ángulo de reflexión al formado por la normal y el rayo reflejado. Las leyes de la reflexión dicen que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión y que el rayo incidente, reflejado y la normal están en el mismo plano. Refracción de las ondas

La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda. Leyes Un rayo se refracta (cambia de dirección) cuando pasa de un medio a otro en el que viaja con distinta velocidad. En la refracción se cumplen las siguientes leyes: 1.- El rayo incidente, el rayo refractado y la normal están en un mismo plano. 2.- Se cumple la ley de Snell Y teniendo en cuenta los valores de los índices de refracción resulta: Cuando la luz se refracta cambia de dirección porque se propaga con distinta velocidad en el nuevo medio. Como la frecuencia de la vibración no varía al pasar de un medio a otro, lo que cambia es la longitud de onda de la luz como consecuencia del cambio de velocidad. Interferencias de las ondas Se denomina interferencia a la superposición o suma de dos o más ondas. Dependiendo fundamentalmente de las longitudes de onda, amplitudes y de la distancia relativa entre las mismas se distinguen dos tipos de interferencias: Constructiva: Se produce cuando las ondas chocan o se superponen en fases, obteniendo una onda resultante de mayor amplitud que las ondas iníciales. Destructiva: Es la superposición de ondas en antifase, obteniendo una onda resultante de menor amplitud que las ondas iníciales. Difracción de las ondas La difracción es un fenómeno característico de las ondas que consiste en la dispersión y curvado aparente de las ondas cuando encuentran un obstáculo. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por causa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz de un láser debe finalmente divergir en un rayo más amplio a una distancia suficiente del emisor. Principio de Huygens Es un método de análisis aplicado a los problemas de propagación de ondas. Afirma que todo punto de un frente de onda inicial puede considerarse como una fuente de ondas esféricas secundarias que se extienden en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda que el frente de onda del que proceden. Esta visión de la propagación de las ondas ayuda a entender mejor una variedad de fenómenos de onda, tales

como la difracción. La Ley de Snell también puede ser explicada según este principio. Por ejemplo, si dos sitios están conectados por una puerta abierta y se produce un sonido en una esquina lejana de uno de ellos, una persona en el otro cuarto oirá el sonido como si se originara en el umbral. Por lo que se refiere el segundo cuarto, el aire que vibra en el umbral es la fuente del sonido. Lo mismo ocurre para la luz al pasar el borde de un obstáculo, pero esto no es fácilmente observable debido a la corta longitud de onda de la luz visible. La interferencia de la luz de áreas con distancias variables del frente de onda móvil explica los máximos y los mínimos observables como franjas de difracción. Ver, por ejemplo, el experimento de la doble rendija.

MATERIALES Y METODOS Para el desarrollo de esta práctica utilizamos dos resortes llamados resorte 1 y resorte 2, los cuales utilizamos en serie, paralelo y cada uno por separado, le hallamos sus respectivas K y haciendo uso de una regla, un cronometro, un portapesas y pesas de diferentes masas realizamos el resto de la práctica y hallamos los diferentes errores.

Regla

Reso Portapesas y pesas

Resortes en paralelo

Cronometro

Resortes en serie

DATOS Y RESULTADOS 1 Objetivo_ Medir la velocidad de propagación de una onda.

Al tabular cada uno de los datos obtenidos y realizar la respectiva regresión lineal se obtiene que la constante para el resorte 1 es 50.48(N/m) y la constante del resorte 2 es 48.44(N/m). 2 Objetivo_ Medir la velocidad de propagación en ondas estacionarias.

Al hacer uso de la ecuación K=m 4 π 2 f 2 , se obtiene que la constante para el resorte 1 es 49.11(N/m) y la constante para el resorte 2 es 46.01(N/m). -Para sacar los errores de este objetivo hacemos uso de la ecuación (1.4) y tomamos como K teórico el obtenido por ley de Hooke y como K experimental el obtenido por MAS.

Para el resorte 1 el error es de:

%error =2.71% Para el resorte 2 el error es de: %error =1.17%

3 y 4 objetivos_ Para realizar los objetivos 3 y 4, se ubicaron los resortes en serie y paralelo los cuales se pusieron a oscilar y se tomaron el número de veces los resortes pasaban por el punto de equilibrio y en cuanto tiempo realizaban este proceso.

Al hacer uso de la ecuación K=m 4 π 2 f 2 , se obtiene que la constante para los resortes en serie es 22.8(N/m) y la constante para los resortes en paralelo es 90.31(N/m). -Para obtener los errores porcentuales para los resortes en serie tomamos como k1⋅ k2 k= experimental el resultado obtenido de la ecuación la cual nos da como k 1+ k 2 resultado 24.71(N/m) Y al hacer uso de la formula (1.4) obtenemos que el error % de los resortes en serie es de 7.68% -Para obtener los errores para los resortes en paralelo hacemos uso de la ecuación k=k 1+k2 y así obtenemos el k teórico el cual es 98.92% Y al hacer uso de la formula (1.4) obtenemos que el error % de los resortes en paralelo es de 8.7%

5 objetivo_ La intención del objetivo 5 es encontrar la relación entre periodo y masa en un MAS, la cual se realiza mediante regresión lineal exponencial y también hallamos la precisión con la cual tomamos los datos mediante la r. T =1.39 m

0.586

R2=0.96

DISCUCION Los errores son resultado de que, a la hora de medir y realizar las oscilaciones, los procedimientos se hacen con la mayor precisión posible pero el margen de error aún sigue existiendo puesto que se ignoran muchas variables. CONCLUSIONES -Se midió la constante de elasticidad de dos resortes mediante la ley de Hooke, las fueron 48.44(N/m) y 50.48(N/m). -Se midió la constante de los resortes por MAS y sacamos errores teóricos, los cuales fueron del 2.71% y 1.17% -Se midió la constante de los resortes ubicados en serie y en paralelo, realizamos análisis de errores y obtuvimos para los resortes en serie un error de 7.68% y para los resortes en paralelo un error de 8.7% -Encontramos la relación entre periodo y masa la cual es potencial, y cuya ecuación es 0.586 y la precisión es R2=0.96 T =1.39 m BIBLIOGRAFIA |1| Hwang, F.-K (2009). Fuerza debida a un muelle y MAS. Recuperado de http://www.phy.ntnu.edu.tw/oldjava/ springForce/springForce_s.htm.

|2| Varela D. A., Bustamante A. M., Dueñas J. A., Vinasco M. (2015) Guía para prácticas de física:, Bogotá, D. C.-Universidad de La Salle |3| Tipler. Física. Editorial Reverté (1994).

Capítulo 12, el oscilador caótico págs 397-402...