Ondas

Ondillas en un estanque, la voz de una persona, la luz de una estrella distante: todos son ondas que transportan energía desde una fuente hacia un absorbedor. Esta referencia cubre Física AQA GCSE 8463, tema 4.6 Ondas.

Cómo trata este tema el examen:

• El papel 2 incluye este tema. Los temas $T = 1/f$, $v = f\lambda$ y aumento se encuentran en la hoja adjunta.
• Reflexión (RP9), sonido, detección de ondas, lentes, luz visible y radiación de cuerpo negro son solo física; el sonido y la detección también son solo HT; algunas partes de las propiedades del EM son solo HT.
• Prácticas obligatorias: RP8 (velocidad de onda en un tanque de ondulaciones y un sólido) y RP9 (reflexión y refracción, solo física).
• Debes dibujar diagramas de rayos para reflexión, refracción y lentes.

Las ondas longitudinales muestran compresiones (partículas apretadas) y rarefacciones (partículas dispersas).

Evidencia de que la onda se desplaza y no el material: una ondulación cruza un estanque pero el agua simplemente sube y baja (una pelota en la superficie permanece quieta); el sonido te llega pero el aire no viaja desde la fuente hasta el oído.

• La velocidad de onda es la velocidad a la que se transfiere energía a través del medio.
• Lee la amplitud y la longitud de onda directamente de un diagrama etiquetado.

Ejemplo resuelto. Una onda de agua tiene una frecuencia de 2.0 Hz y una longitud de onda de 0.35 m.

Ejemplo resuelto (kHz y μm). Un sonido de frecuencia 4.0 kHz viaja a 330 m/s.

• Convertir: $f = 4000$ Hz.
  $$\lambda = \frac{v}{f} = \frac{330}{4000} = 0.0825 \approx 8.3\times10^{-2}\ \text{m}$$

Medición de velocidades de onda (RP8)

• Ondas en agua: tanque oscurecido; el motor de barra recta produce ondas continuas; fotografiar o medir la longitud de onda con una regla sobre la pantalla, contar las ondas que pasan por un punto en 10 s para obtener la frecuencia; $v = f\lambda$.
• Ondas en sólidos: un generador de vibraciones envía ondas a lo largo de una cuerda tensada; ajustar la frecuencia hasta que aparezca un número entero claro de bucles — medir la longitud y contar los bucles para $\lambda$; $f$ se lee del generador de señales.
• Velocidad del sonido: situarse a una distancia conocida de una pared, aplaudir y cronometrar el eco de varios aplausos, dividir (o usar dos personas con un cronómetro sobre una gran distancia; la cronometraje electrónico es mejor).

(Solo física) Cambio de medio del sonido: si cambia la velocidad, entonces la frecuencia o la longitud de onda (o ambas) cambian con ella — $v = f\lambda$ vincula las tres.

En una interfaz, una onda puede ser reflejada, absorbida o transmitida:

• reflexión especular: desde una superficie lisa, en una sola dirección;
• reflexión difusa: desde una superficie rugosa, dispersa;
• absorción: la energía permanece en el material; transmisión: pasa a través.

Construir el diagrama de rayos de reflexión: la normal perpendicular a la superficie en el punto de incidencia; el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión — ambos medidos desde la normal.

RP9: iluminar una caja de rayos hacia un espejo plano / superficies rugosas; trazar los rayos incidentes y reflejados con un lápiz, medir los ángulos con un transportador; para refracción, hacer pasar la luz a través de un bloque de vidrio y trazar el camino doblado en cada interfaz.

El sonido viaja a través de sólidos como vibraciones. En el oído, las ondas sonoras vibran el tímpano y otras partes — la sensación del sonido es vibración convertida. Esto solo funciona en un rango de frecuencias limitado: la audición humana abarca de 20 Hz a 20 kHz. Ejemplos de conversión: el diafragma de un micrófono, una membrana de tambor, ventanas temblorosas cerca de un altavoz de graves.

• Ultrasonido: frecuencia superior a 20 kHz; parcialmente reflejado en las interfaces entre medios; el tiempo del eco da la distancia a una interfaz ($s = vt$, con el trayecto a menudo de ida y vuelta). Usos: ecografía prenatal médica (seguro, no ionizante), detección de defectos industriales.
• Ondas sísmicas: los terremotos producen ondas P (longitudinales) y ondas S (transversales), que viajan a diferentes velocidades a través de la Tierra; las ondas P atraviesan líquidos, las ondas S no — las zonas de sombra revelan la estructura en capas de la Tierra. Ecosonda con pulsos de ultrasonido/sonoro mapea fondos marinos.

Todas las ondas EM son transversales y transfieren energía desde la fuente hasta el absorbedor. Forman un espectro continuo y todas viajan a la misma velocidad en el vacío o el aire ($3\times10^8$ m/s). De mayor a menor longitud de onda:

Los ojos detectan solo la luz visible — una banda muy pequeña.

Peligros: UV envejece prematuramente la piel y aumenta el riesgo de cáncer de piel; los rayos X y gamma son ionizantes: pueden mutar genes y causar cáncer. La dosis de radiación en sieverts mide el riesgo de daño (1000 mSv = 1 Sv; no se requiere recordar la unidad). Extraer conclusiones de datos de dosis.

(HT) Las sustancias absorben, transmiten, refractan o reflejan ondas EM de formas que varían según la longitud de onda; la refracción proviene del cambio de velocidad entre medios. Mostrar refracción en un diagrama de rayos (desviándose hacia la normal al desacelerar) y en diagramas de frentes de onda (frentes de onda más juntos en el medio más lento).

Una lente forma una imagen mediante la refracción de la luz:

• convexa: los rayos paralelos convergen en el foco principal; distancia focal = distancia de la lente al foco; imágenes reales o virtuales.
• cóncava: los rayos divergen; la imagen siempre es virtual.

Reglas de diagrama de rayos (dos rayos localizan la imagen): un rayo paralelo al eje refracta pasando por el foco (convexa) o parece provenir de él (cóncava); un rayo que pasa por el centro de la lente continúa recto.

• Una razón, sin unidades; ambas alturas en mm o ambas en cm.

Ejemplo resuelto. Un objeto de 5.0 mm de altura forma una imagen de 20 mm de altura.

Cada color es su propia banda estrecha de longitud de onda (rojo la más larga, violeta la más corta en el espectro visible).

• Los filtros absorben algunas longitudes de onda y transmiten otras (un filtro rojo transmite luz roja).
• El color de un objeto opaco = las longitudes de onda que refleja fuertemente; el resto se absorben. Todo reflejado → blanco; todo absorbido → negro.
• Los objetos transparentes/translúcidos transmiten la luz.
• La reflexión especular vs. difusa (de la sección de reflexión) explica por qué una superficie roja lisa parece brillante pero el papel parece mate.

Todos los cuerpos, a cualquier temperatura, emiten y absorben radiación infrarroja. Cuanto más caliente está el cuerpo, más radiación emite por segundo.

Un cuerpo negro perfecto absorbe toda la radiación incidente —sin reflexión ni transmisión— y (buen absorbedor = buen emisor) también es el mejor emisor posible.

La intensidad y distribución de longitudes de onda de la radiación emitida dependen de la temperatura del cuerpo: más caliente → mayor intensidad, y el pico se desplaza hacia longitudes de onda más cortas.

(HT) Un cuerpo a temperatura constante absorbe a la misma tasa con la que emite.

Absorbiendo más rápido de lo que emite → la temperatura sube. La temperatura de la Tierra depende del equilibrio entre radiación absorbida y emitida, y de la reflexión hacia el espacio; úsela para explicar el calentamiento global y ejemplos tipo albedo de hielo, y consulte el diagrama estándar.

• Definir amplitud, longitud de onda, frecuencia y periodo; usar $T = 1/f$ y $v = f\lambda$ con prefijos.
• Describir RP8 en un tanque de ondas y en una cuerda; describir un método para medir la velocidad del sonido.
• (solo física) Dibujar diagramas de rayos de reflexión y refracción con la normal; RP9.
• Recitar el orden del espectro electromagnético; relacionar usos y peligros con sus razones; comparar datos de dosis.
• (solo física) Dibujar diagramas de rayos de lentes (convexas/cóncavas); aumento como una razón sin unidades.
• (solo física) Explicar el color por reflexión y los filtros por transmisión.
• Emisión de cuerpo negro, absorción y balance radiativo de la Tierra (HT).