Ondas: transporte de energía e información
Las ondas transportan energía desde una fuente hasta un receptor sin mover materia — luz al ojo, sonido al oído, radio al teléfono. Este tema construye el modelo ondulatorio (frecuencia, longitud de onda, velocidad), luego lo aplica a todo el espectro electromagnético, al sonido y (P) ultrasonido, reflexión, refracción con reflexión interna total, y (P) lentes y el ojo.
OxfordAQA International GCSE Física 9203, tema 3.3 (Versión 5.1). Las afirmaciones marcadas (P) son solo para Examen-2-.
Propiedades generales de las ondas
Transversal: oscilaciones perpendiculares al desplazamiento — ondas electromagnéticas y del agua. Longitudinal: oscilaciones paralelas, como compresiones y rarefacciones — sonido; las ondas mecánicas pueden ser cualquiera de las dos. En una frontera, las ondas se reflejan, transmiten o absorben; la refracción surge de un cambio de velocidad entre medios, y la difracción expande las ondas a través de una abertura — fuertemente cuando la abertura es comparable a la longitud de onda.
Amplitud, longitud de onda, frecuencia, período y frentes de onda definen cualquier onda, y:
Ejercicio resuelto. Una onda de agua con frecuencia 2 Hz y longitud de onda 1.5 m se propaga a $2 \times 1.5 = 3$ m/s.
El espectro electromagnético
Una familia continua, todas transversales, todas a la misma velocidad en el vacío, ordenadas desde radio (10⁴ m y más) hasta gamma (10⁻¹⁵ m). La luz visible es la banda estrecha que detectan nuestros ojos; diferentes longitudes de onda son diferentes colores. Todos los objetos emiten y absorben infrarrojo; (P) los objetos más calientes irradian más y a frecuencias mayores (radiación de cuerpo negro), las superficies oscuras y mate absorben y emiten mejor, mientras que las claras y brillantes reflejan.
Usos: radio — televisión y radio incluyendo Bluetooth; microondas — teléfonos, televisión satelital; infrarrojo — mandos a distancia, visión nocturna, calefacción; visible — fotografía, fibra óptica; UV — marcas de seguridad; rayos X — imágenes médicas; gamma — esterilización de instrumentos y alimentos. Peligros: las microondas calientan tejidos; el infrarrojo quema; el UV causa cáncer de piel y ceguera; los rayos X matan células en dosis altas; el gamma causa mutaciones: limite el tiempo de exposición y la distancia, y utilice blindaje.
Rayos X: muy corta longitud de onda, alta energía, ionizante; afectan la película fotográfica, son absorbidos por metal y hueso, y transmitidos por tejidos blandos — base de la TC, imágenes de fracturas y dentales, y del tratamiento del cáncer (con monitoreo cuidadoso de las dosis del personal).
Sonido e ultrasonido
El sonido es longitudinal, vibrando un medio, audible entre 20 Hz y 20 000 Hz; el tono sigue a la frecuencia, el volumen sigue a la amplitud. El sonido se refleja (ecos) y difracta. (P) El ultrasonido está por encima de 20 kHz: en una interfaz entre medios se refleja parcialmente, y el tiempo del eco localiza la interfaz:
Ejercicio resuelto. Un pulso de ultrasonido regresa de una interfaz fetal después de $6.0 \times 10^{-5}$ s (velocidad 1500 m/s en tejido): profundidad de la interfaz $= 1500 \times 6.0\times10^{-5}/2 = 4.5$ cm — divida por dos para el viaje de ida y vuelta. Usos: ecografía prenatal, ruptura de cálculos renales.
Reflexión y refracción
Ley de reflexión: ángulo de incidencia = ángulo de reflexión, medidos respecto a la normal. Un espejo plano produce una imagen virtual, derecha e invertida lateralmente; construya diagramas de rayos con la normal dibujada. (P) La luz que entra en un medio más denso se frena y se desvía hacia la normal; hacia uno menos denso, se aleja; un prisma dispersa la luz blanca en un espectro. El índice de refracción compara velocidades:
Más allá del ángulo crítico en el medio más denso, la luz se refleja internamente totalmente — cómo las fibras ópticas transportan luz visible e infrarroja para medicina (endoscopios) y comunicaciones. Práctica requerida: refracción de la luz por diferentes sustancias.
Lentes y el ojo (P)
Una lente convexa (convergente) enfoca rayos paralelos al foco principal (longitud focal desde la lente); una lente cóncava (divergente) los dispersa como si vinieran del foco. Las imágenes se describen como más grandes/más pequeñas, derechas/invertidas, reales/virtuales; los diagramas de rayos en papel milimetrado las muestran, y aumento = altura de la imagen ÷ altura del objeto. Una lente convergente sostenida cerca actúa como lupa (virtual, derecha, aumentada).
El ojo: retina (detector), córnea (refracción principal), lente de enfoque variable, pupila/iris (diafragma), músculo ciliar y ligamentos suspensorios (cambian la forma de la lente). Punto cercano ≈ 25 cm; punto lejano en infinito. Hipermetropía (globo ocular demasiado corto) se corrige con una lente convexa; miopía (demasiado largo) con una lente cóncava; los láseres pueden remodelar la córnea en cirugía. Ante una cámara: el ojo enfoca cambiando la forma de la lente, la cámara cambiando la distancia lente-película; la retina cumple el rol del CCD.
Compruébalo tú mismo
- Indique las direcciones de oscilación de ondas transversales y longitudinales, con un ejemplo de cada una.
- Enuncie v = fλ y calcule la velocidad de una onda de 500 Hz con longitud de onda 0.68 m.
- ¿Cuándo es más fuerte la difracción a través de una abertura?
- Ordene el espectro EM según frecuencia creciente.
- ¿Qué superficies absorben mejor el infrarrojo?
- Indique el rango de frecuencias del oído humano.
- (P) Un eco de ultrasonido regresa en 0.0001 s desde una profundidad de 15 cm. ¿Cuál es la velocidad?
- Enuncie la ley de reflexión y la naturaleza de la imagen en un espejo plano.
- (P) El vidrio tiene n = 1.5. Calcule el ángulo crítico.
- (P) ¿Qué lente corrige la miopía y por qué?
Respuestas: 1 perpendicular — luz; paralelo, compresiones — sonido; 2 $v = 500 \times 0.68 = 340$ m/s; 3 separación ≈ una longitud de onda; 4 radio → microondas → IR → visible → UV → rayos X → gamma; 5 oscuro, mate; 6 20 Hz–20 kHz; 7 (P) $v = 0.3/10^{-4} = 3000$ m/s (ida y vuelta).
Respuestas continuadas: 8 i = r; virtual, derecha, invertida lateralmente; 9 (P) $\sin c = 1/1.5$, $c \approx 41.8°$; 10 (P) una lente cóncava — dispersa la luz para que el ojo demasiado largo la enfoque en la retina.