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COLEGIO DE BOYACÁ SISTEMA DE GESTIÓN DE LA CALIDAD SECCIÓN FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Unidad didáctica.1 Física: Movimiento oscilatorio
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GRADO: UNDÉCIMO NOMBRE DEL DOCENTE: Tiempo: 9 horas (para distribuir en tres semanas) Julieta Jiménez Parra – Javier Danilo Mora S. TÓPICO GENERATIVO: ¿Nuestro mundo mejoró, gracias al descubrimiento de las ondas? HILOS CONDUCTORES: ¿Qué características posee el Movimiento Oscilatorio? ¿Cómo identificamos y lo aplicamos en el entorno fenómenos que poseen Movimiento Oscilatorio? EXPLORACIÓN DEL TEMA: Realice una síntesis del material de apoyo sobre las ondas. APRENDIZAJES EVIDENCIAS Identificar las características de algunos fenómenos de la Identifica las características fundamentales de naturaleza basado en el análisis de información de las ondas así como las variables y parámetros conceptos propios del conocimiento científico. que afectan estas características en un medio de propagación. Elabora explicaciones al relacionar las variables de estado que describen un sistema, argumentando a partir de los modelos básicos de ondas. MATERIAL DE APOYO https://www.youtube.com/watch?v=PYbUJXzZGhQ https://www.youtube.com/watch?v=8IrYxyp9BTk https://www.youtube.com/watch?v=CYivNIQHL7Q https://www.youtube.com/watch?v=iUNIoGvwvh0
META: Los estudiantes desarrollarán comprensión acerca de las relaciones de los elementos asociados al movimiento oscilatorio y ondulatorio con sus respectivas características.
Siimulaciones Phet https://phet.colorado.edu/es/simulations/category/physis Fuentes de información para elaboración de guía. Los links descritos en el material de apoyo. Universidad de Colorado. (s.f.). Simulaciones Phet. Recuperado el 17 de 03 de 2020, de https://phet.colorado.edu/es/simulations/category/physics. Bueche, Frederick; Hecht, Eugene, Física General, Ed. Mc Graw Hill.1997. p.194 Valero, Michael, Física Fundamental 2. Ed, Norma Educativa, 1983, p.22-27.
Recomendaciones: Es necesario que cuente con un computador que tenga acceso a internet, algunas Simulaciones Phet, se puede trabajar en línea como ya la hemos venido trabajando en clase, otras se pueden descargar, pero su computador debe tener el software java. Para iniciar el laboratorio virtual, destine un espacio adecuado y registre todos los procedimientos en su cuaderno, tenga a la mano, lápiz, borrador, esfero, regla, calculadora Antes de iniciar el laboratorio, observe los videos sugeridos y los links descritos en el material de apoyo al igual que el marco de referencia y realice la actividad de exploración del tema. Revise constantemente su correo institucional, página web del colegio y grupos de whatsapp, para la entrega de las actividades y para resolver dudas sobre la temática propuesta. Marco de referencia (Tomado de: Bueche, Frederick; Hecht, Eugene, Física General, Ed. Mc Graw Hill.1997. p.194 y Valero, Michael, Física Fundamental 2. Ed, Norma Educativa, 1983, p.22-27.)
Movimiento Ondulatorio Onda: Es la parte esencial del movimiento ondulatorio y consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad del espacio (presión, densidad, campo eléctrico, etc) implicando un transporte de energía pero no de materia. Ejemplo: las olas en el mar, un resorte oscilando, el sonido, ondas de radio, etc. “Una onda que se propaga: Es una perturbación auto sostenida de un medio que viaja de un punto a otro, llevando energía y cantidad de movimiento. Las ondas mecánicas son fenómenos agregados que surgen del movimiento de las partículas constituyentes. La onda avanza, pero las partículas del medio sólo oscilan en su lugar. En la cuerda de la fig.1 se genera una onda Notas de clase docentes Física, grado undécimo. Colegio de Boyacá, Sección Francisco de Paula Santander, año 2020
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mediante la vibración sinusoidal de la mano que está en uno de sus extremos. La energía es transportada por la onda desde la fuente hacia la derecha, a lo largo de la cuerda. Esta dirección, la de transporte de energía, se llama dirección (línea) de propagación de la onda.
Fig. 1
Cada partícula de la cuerda (como la que se encuentra en el punto C) vibra de arriba abajo, perpendicular a la dirección de propagación se denomina onda transversal. Ondas transversales típicas, además de las ondas sobre cuerdas, son las ondas electromagnéticas (ejemplo, las ondas de radio, luz, etc). Sin embargo, en las ondas sonoras la dirección de vibración es paralela a la dirección de propagación, a este tipo de ondas se les denomina ondas longitudinales. Características de una onda Foco o emisor: Fuente que empieza a perturbar el medio donde la energía del foco es transmitida al medio de propagación. Medio de Propagación: Es el espacio que es perturbado por la onda, experimenta una variación temporal irreversible en alguna de sus propiedades físicas. Cada punto del medio transmite la perturbación al punto vecino. Elementos de una onda Longitud de una onda (λ-Lambda) (m) : Es la distancia que hay entre dos partículas que están en fase. Amplitud (A): Es la distancia que hay entre el punto de equilibrio y su máxima amplitud, ya sea positiva o negativa. Cresta: Es la máxima amplitud que tiene la onda en sentido positivo. Valle: Es la máxima amplitud que tiene la onda en sentido negativo. Periodo(T) (s): Es el tiempo de una oscilación completa y se determina por las ecuaciones: Frecuencia (f)(Hz): El número de oscilaciones que pasa por un punto en la unidad de tiempo y se determina por las ecuaciones: . Velocidad:
.
Vibraciones en fase: Existen en dos puntos de la onda sí dichos puntos experimentan vibraciones simultáneas en la misma dirección. Por ejemplo, las partículas de la cuerda en los puntos A y C de la fig.1 vibran en fase, pues se mueven juntas arriba abajo. Las vibraciones están en fase si la separación de los puntos es un múltiplo entero de longitudes de onda. Los segmentos de la cuerda en A y B vibran en forma opuesta uno del otro; se dice que ahí vibraciones están fuera de fase 180o o medio ciclo. Rapidez de una onda transversal: en una cuerda o alambre tenso es:
√
).
Dónde: T (N): tensión de la cuerda Densidad lineal ( : Es la masa por unidad de longitud, y se rige por la ecuación: Ondas Estacionarias: A ciertas frecuencias de vibración, un sistema puede experimentar resonancia. Es decir, puede absorber energía eficientemente desde una fuente impulsora en su entorno que oscila a dicha frecuencia (figura 2). Estos patrones de vibración similares se conocen como ondas estacionarias. Sería mejor no llamar a estas ondas, pues no transportan energía ni cantidad de movimiento. Los puntos estacionarios se llaman nodos, ósea, cuando la onda se Notas de clase docentes Física, grado undécimo. Colegio de Boyacá, Sección Francisco de Paula Santander, año 2020
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cruza con el punto de equilibrio o eje x de la fig.1 y a los valles y crestas se llaman antinodos. La distancia entre dos nodos o antinodos adyacentes es . La porción de la cuerda entre nodos adyacentes se llama segmento, y la longitud de un segmento también equivale a
.
Figure 2
Condiciones de Resonancia: Una cuerda resonará sólo si la longitud de onda de cada vibración tiene ciertos valores especiales: la longitud de la onda debe ser tal que un número entero de segmentos de onda (cada uno de de longitud) se ajuste exactamente a la cuerda. En particular los extremos fijos de la cuerda deben ser nodos. Entonces, como se muestra en la figura 2 la relación entre la longitud de onda y la longitud L de la cuerda en resonancia es , donde n es un número entero. Ya que
, entre más corta sea la longitud del segmento,
mayor será la frecuencia de resonancia. Si a la frecuencia fundamental de resonancia se le llama mayores frecuencias de resonancia están dadas por
, entonces la figura 2 muestra que las .
Procedimientos: Ingresa al siguiente link. https://phet.colorado.edu/sims/html/wave-on-a-string/latest/wave-on-astring_es.html, luego explore la herramienta, y conteste:
Ilustración 1: Ondas estacionarias. Universidad de Colorado. (s.f.). Simulaciones Phet. Fuente: Propia.
1. En cada caso, explique, ¿qué sucede con la onda? a) Extremo fijo Notas de clase docentes Física, grado undécimo. Colegio de Boyacá, Sección Francisco de Paula Santander, año 2020
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b) Extremo libre c) Sin extremo. 2. Realice una oscilación cuando la hay amortiguación y cuando no, luego explique ¿Qué sucede con la onda? 3. Ponga a oscilar la cuerda con baja tensión y alta, luego describa el movimiento de la onda en cada caso. 4. Ponga a oscilar la cuerda con la amplitud y la frecuencia descrita en la tabla 1, luego complétela. Y conteste según sus observaciones:
Amplitud
Dibujo de la onda,
Dibujo de a onda,
0,20cm
0,40cm
0,60cm
0,80cm
1,20cm
Tabla 1: Datos amplitud frecuencia. Fuente: propia.
a) ¿Qué significado tiene el pulso? b) ¿Qué tipo de onda se manifiesta en la oscilación de la cuerda, longitudinal y transversal? ¿por qué? c) ¿En es la amplitud en una onda? d) ¿Qué diferencias evidencia entre las frecuencias? e) ¿Existe alguna relación entre amplitud y frecuencia? ¿por qué?
5. Realice las siguientes actividades como se muestra en el ejemplo y complete las tablas 3, 4 y 5 Para cada situación fije un movimiento lento, use regla, cronómetro, líneas de referencia. Y complete las tablas. Ejemplo. Lo primero es fijar en el simulador los datos suministrados en la tabla, luego para determinar la longitud de onda se toma la medida con la regla horizontal, (teniendo en cuenta que la longitud de onda es de cresta a cresta), con el cronometro medimos el periodo (tiempo que dura la oscilación completa) y luego el periodo y la velocidad calculada se trabajan con las ecuaciones.
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λ
Periodo en el simulador
Ilustración 2: Longitud de onda. Universidad de Colorado. (s.f.). Simulaciones Phet. Fuente: Propia.
simulador
)
4cm
Calculado
Calculada
2,01s
Ilustración 3: Tiempo calculado. Fuente: propia.
Ilustración 4: Velocidad calculada. Fuente: propia.
Tabla 2: Ejemplo, simulador y ejercicios calculados. Fuente: propia.
) simulador
Calculado
Calculada
Calculado
Calculada
Calculado
Calculada
Tabla 3: Datos para 1Hz. Fuente: propia.
) simulador
Tabla 4: Datos para 2Hz. Fuente: propia
) simulador
Tabla 5: Datos para 3Hz. Fuente: propia
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Con base en los anteriores procedimientos, conteste: a) ¿Existe alguna relación entre la longitud de onda y el periodo? ¿Por qué? b) ¿Qué relación existen entre frecuencia y periodo? ¿por qué? c) ¿Qué es la velocidad de una onda? d) Realice una gráfica de periodo-frecuencia y frecuencia – longitud de onda. Ingrese al simulador https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/sound, explore la interfaz
Ilustración 5: Sonido, Universidad de Colorado. (s.f.). Simulaciones Phet. Fuente: Propia.
6. De acuerdo con sus observaciones conteste: a) ¿El sonido es una onda longitudinal o transversal? ¿Por qué? b) ¿El sonido es una onda electromagnética o mecánica? ¿Por qué? 7. En la ventana (mida) realice varias observaciones, luego responda ¿qué sucede con las ondas de sonido a medida que se aumenta o se disminuye la frecuencia? 8. En la ventana de interferencia de dos fuentes, conteste : a) ¿Qué tipo de interferencia se está presentando en el simulador? ¿Por qué? b) ¿La interferencia cambia, cuándo la frecuencia aumenta o disminuye? ¿Por qué? 9. En la ventana, interferencia por reflexión, ¿qué tipo de interferencia se presenta? ¿por qué? Para cada caso describa el comportamiento de las ondas: a) Aumenta o disminuye la frecuencia b) El ángulo de la pared aumento o disminuye. c) La posición de la pared cambia. Resuelva las siguientes situaciones físicas, teniendo en cuenta el marco de referencia y las ecuaciones descritas en el mismo.
1. Una onda transversal tiene una longitud de onda de 300 mm y vibra con una frecuencia de 450 Hz. ¿Cuál es la rapidez de la onda? 2. Una cuerda horizontal tiene 5 m de longitud y una masa de 1.45 m. ¿Cuál es la tensión en la cuerda si su longitud de onda de 12 Hz sobre ella es de 60 cm? 3. Una cuerda vibra en cinco segmentos a una frecuencia de 460 Hz. a) ¿Cuál es su frecuencia fundamental? b) ¿Qué frecuencia ocasionara que vibre en cuatro segmentos? 4. Una cuerda sujeta por ambos extremos resuena a 420 Hz y 490 Hz y no hay frecuencias resonantes entre ellas. Determine su frecuencia fundamental de resonancia.
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