Ondas, Sonido y Óptica Física

Objetivo de aprendizaje 14.1.A: Describir las propiedades físicas de las ondas y los pulsos de onda.

• 14.1.A.1 Las ondas transfieren energía entre dos ubicaciones sin transferir materia entre esas ubicaciones.
  • 14.1.A.1.i Un pulso de onda es una perturbación única que transfiere energía sin transferir materia entre dos ubicaciones.
  • 14.1.A.1.ii Una onda se modela como una perturbación continua y periódica con longitud de onda y frecuencia bien definidas.
• 14.1.A.2 Las ondas mecánicas o los pulsos de onda requieren un medio en el cual propagarse. Las ondas electromagnéticas o los pulsos de onda no requieren un medio en el cual propagarse.
• 14.1.A.3 La velocidad a la que se propaga una onda o un pulso de onda a través de un medio depende del tipo de onda y de las propiedades del medio.
  • 14.1.A.3.i La velocidad de todas las ondas electromagnéticas en el vacío es una constante física universal, $c = 3.00 \times 10^{8}$ m/s.
  • 14.1.A.3.ii La velocidad a la que se propaga un pulso de onda o una onda a lo largo de una cuerda depende de la tensión en la cuerba, $F_T$, y de la masa por unidad de longitud de la cuerda.
    • Ecuación: $v_{\text{string}} = \sqrt{\dfrac{F_T}{m/\ell}}$
  • 14.1.A.3.iii En un medio dado, la velocidad de las ondas sonoras aumenta con la temperatura del medio.
• 14.1.A.4 En una onda transversal, la dirección de la perturbación es perpendicular a la dirección de propagación de la onda.
• 14.1.A.5 En una onda longitudinal, la dirección de la perturbación es paralela a la dirección de propagación de la onda.
  • 14.1.A.5.i Las ondas sonoras se modelan como ondas mecánicas longitudinales.
  • 14.1.A.5.ii Las regiones de alta y baja presión en una onda sonora se denominan compresiones y rarefacciones, respectivamente.
• 14.1.A.6 La amplitud es el desplazamiento máximo de una onda desde su posición de equilibrio.
  • 14.1.A.6.i La amplitud de una onda de presión longitudinal puede determinarse por el aumento o disminución máxima de la presión respecto a la presión de equilibrio.
  • 14.1.A.6.ii El volumen de un sonido aumenta con el aumento de la amplitud.
  • 14.1.A.6.iii La energía transportada por una onda aumenta con el aumento de la amplitud.

Objetivo de aprendizaje 14.2.A: Describir las propiedades físicas de una onda periódica.

• 14.2.A.1 Las ondas periódicas presentan repeticiones regulares que pueden describirse mediante el periodo y la frecuencia.
  • 14.2.A.1.i El periodo es el tiempo necesario para una oscilación completa de la onda.
  • 14.2.A.1.ii La frecuencia es la tasa a la que se repite la onda.
    • Ecuación: $T = \dfrac{1}{f}$
  • 14.2.A.1.iii La amplitud de una onda es independiente del periodo y de la frecuencia de dicha onda.
  • 14.2.A.1.iv La energía de una onda aumenta al aumentar su frecuencia.
  • 14.2.A.1.v La frecuencia de una onda sonora está relacionada con su tono.
  • 14.2.A.1.vi La longitud de onda es la distancia entre posiciones correspondientes sucesivas (como crestas o valles) en una onda.
• 14.2.A.2 Una onda sinusoidal puede describirse mediante ecuaciones para el desplazamiento respecto al equilibrio en una ubicación específica como función del tiempo. También puede describirse mediante una ecuación para el desplazamiento respecto al equilibrio en un instante específico como función de la posición.
  • Ecuación: $x(t) = A\cos(\omega t) = A\cos(2\pi f t)$
  • Ecuación: $y(x) = A\cos\left(2\pi \dfrac{x}{\lambda}\right)$
• 14.2.A.3 Para una onda periódica, la longitud de onda es proporcional a la velocidad de la onda e inversamente proporcional a su frecuencia.
  • Ecuación: $\lambda = \dfrac{v}{f}$

Objetivo de Aprendizaje 14.3.A: Describir la interacción entre una onda y un límite.

• 14.3.A.1 Una onda que viaja de un medio a otro puede ser transmitida o reflejada, dependiendo de las propiedades del límite que separa ambos medios.
  • 14.3.A.1.i Una onda que viaja de un medio a otro (por ejemplo, una onda que se propaga entre cuerdas de baja masa y alta masa) dará lugar a ondas reflejadas y transmitidas.
  • 14.3.A.1.ii Una onda reflejada está invertida si la onda transmitida se propaga hacia un medio en el que la velocidad de la onda disminuye.
  • 14.3.A.1.iii Una onda reflejada no está invertida si la onda transmitida se propaga hacia un medio en el que la velocidad de la onda aumenta.
  • 14.3.A.1.iv La frecuencia de una onda no cambia cuando viaja de un medio a otro.
• 14.3.A.2 Las ondas transversales que son reflejadas por una superficie, refractadas a través de un medio o que pasan por aberturas específicas pueden estar polarizadas.
  • 14.3.A.2.i Las ondas transversales pueden estar polarizadas y oscilar en un único plano.
  • 14.3.A.2.ii Las ondas longitudinales no pueden estar polarizadas.
• 14.3.A.3 La polarización de una onda puede resultar en una reducción de su intensidad.
  • 14.3.A.3.i La intensidad es una medida de la cantidad de potencia transferida por unidad de área.
  • 14.3.A.3.ii La intensidad de una onda es la potencia promedio por unidad de área sobre un período de la onda.

Objetivo de Aprendizaje 14.4.A: Describir las propiedades de una onda electromagnética.

• 14.4.A.1 Las ondas electromagnéticas constan de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que son mutuamente perpendiculares.
  • 14.4.A.1.i Las ondas electromagnéticas son ondas transversales porque las oscilaciones de los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección de propagación.
  • 14.4.A.1.ii Se asume comúnmente que las ondas electromagnéticas son ondas planas, las cuales se caracterizan por frentes de onda planas.
• 14.4.A.2 Las ondas electromagnéticas no requieren un medio para propagarse.
• 14.4.A.3 Las categorías de ondas electromagnéticas se caracterizan por sus longitudes de onda.
  • 14.4.A.3.i Las categorías de ondas electromagnéticas incluyen (en orden de longitud de onda decreciente, abarcando un rango desde kilómetros hasta picómetros) ondas de radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma.
  • 14.4.A.3.ii Las ondas electromagnéticas visibles se subdividen además en categorías de color, incluyendo (en orden de longitud de onda decreciente) rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta.
  • 14.4.A.3.iii Las ondas electromagnéticas visibles también se denominan luz. A veces, las ondas electromagnéticas de todas las longitudes de onda se refieren colectivamente como luz o radiación electromagnética.

Enunciado del límite: AP Physics 2 espera que los estudiantes conozcan el orden del espectro electromagnético (incluyendo la luz visible). Sin embargo, no se esperará que los estudiantes definan rangos exactos de longitud de onda dentro del espectro electromagnético.

Objetivo de aprendizaje 14.5.A: Describir las propiedades de una onda basándose en el movimiento relativo entre la fuente de la onda y el observador de la onda.

• 14.5.A.1 El efecto Doppler describe la relación entre la frecuencia de reposo de una fuente de ondas, la frecuencia observada de la fuente y la velocidad relativa entre la fuente y el observador.
• 14.5.A.2 Una mayor velocidad relativa produce una diferencia mayor medida entre la frecuencia observada y la frecuencia de reposo.
  • 14.5.A.2.i Para una fuente de ondas que se mueve con la misma velocidad que el observador, la frecuencia observada es igual a la frecuencia de reposo.
  • 14.5.A.2.ii Para una fuente de ondas que se acerca a un observador, la frecuencia observada es mayor que la frecuencia de reposo.
  • 14.5.A.2.iii Para una fuente de ondas que se aleja de un observador, la frecuencia observada es menor que la frecuencia de reposo.

Declaración de límites: Solo se requieren tratamientos cualitativos del efecto Doppler para AP Physics 2.

Objetivo de aprendizaje 14.6.A: Describir la perturbación neta que ocurre cuando dos o más pulsos u ondas se superponen.

• 14.6.A.1 La interferencia de ondas es la interacción de dos o más pulsos u ondas.
• 14.6.A.2 Cuando dos o más pulsos u ondas interactúan entre sí, atraviesan uno al otro y se superponen en lugar de rebotar el uno contra el otro.
• 14.6.A.3 Cuando dos o más pulsos u ondas se superponen, el desplazamiento resultante puede determinarse sumando los desplazamientos individuales. Esto se denomina superposición.
• 14.6.A.4 La interferencia de ondas puede ser constructiva o destructiva.
  • 14.6.A.4.i Cuando los desplazamientos de los pulsos u ondas superpuestos están en la misma dirección, la interacción se denomina interferencia constructiva.
  • 14.6.A.4.ii Cuando los desplazamientos de los pulsos u ondas superpuestos están en direcciones opuestas, la interacción se denomina interferencia destructiva.
  • 14.6.A.4.iii Dos o más pulsos u ondas viajeras pueden interactuar de tal manera que produzcan variaciones de amplitud en el pulso u onda resultante.
• 14.6.A.5 Las representaciones visuales de pulsos u ondas son útiles para determinar el resultado de la interacción de dos pulsos u ondas.
• 14.6.A.6 Los batidos surgen de la suma de dos ondas de frecuencia ligeramente diferente.
  • 14.6.A.6.i Las ondas con diferentes frecuencias están a veces en fase y otras fuera de fase en ubicaciones a lo largo de las ondas, causando cambios periódicos de amplitud en la onda resultante.
  • 14.6.A.6.ii La frecuencia de batido es la diferencia entre las frecuencias de las dos ondas.
    • Ecuación: $\left|f_{\text{beat}}\right| = \left|f_1 - f_2\right|$
  • 14.6.A.6.iii Los diapasones son dispositivos que se utilizan comúnmente para demostrar frecuencias de batido.

Objetivo de aprendizaje 14.6.B: Describir las propiedades de una onda estacionaria.

• 14.6.B.1 Las ondas estacionarias pueden resultar de la interferencia entre dos ondas confinadas a una región y que viajan en direcciones opuestas.
  • 14.6.B.1.i Las ondas estacionarias tienen nodos y antinodos. Un nodo es un punto en la onda estacionaria donde la amplitud es siempre cero. Un antinodo es un punto en la onda estacionaria donde la amplitud es siempre máxima.
  • 14.6.B.1.ii Las longitudes de onda posibles de una onda estacionaria están determinadas por el tamaño y las condiciones de frontera de la región a la que está confinada.
  • 14.6.B.1.iii Las regiones comunes donde pueden formarse ondas estacionarias incluyen tubos con extremos abiertos o cerrados, así como cuerdas con extremos fijos o libres.
• 14.6.B.2 Una onda estacionaria con la longitud de onda más larga posible se denomina fundamental o primer armónico. La segunda longitud de onda más larga se denomina típicamente segundo armónico, la tercera longitud de onda más larga se denomina tercer armónico, y así sucesivamente. Sin embargo, para una onda estacionaria con un nodo en un extremo y un antinodo en el otro extremo, solo pueden establecerse los armónicos impares.
• 14.6.B.3 Las representaciones visuales de ondas estacionarias son útiles para determinar las relaciones entre la longitud de la región, la longitud de onda, la frecuencia, la velocidad de la onda y el armónico.

Objetivo de aprendizaje 14.7.A: Describir el comportamiento de una onda y el patrón de difracción resultante de una onda que pasa a través de una sola abertura.

• 14.7.A.1 La difracción es la propagación de una onda alrededor de los bordes de un obstáculo o a través de una abertura.
• 14.7.A.2 La difracción es más pronunciada cuando el tamaño de la abertura es comparable a la longitud de onda de la onda.
• 14.7.A.3 La difracción de múltiples frentes de onda a través de una sola abertura da lugar a patrones de interferencia observables.
• 14.7.A.4 La difracción se demuestra comúnmente con luz monocromática de longitud de onda $\lambda$ incidente en una abertura estrecha de anchura $a$ que está a una distancia $L$ de una pantalla.
  • 14.7.A.4.i La interferencia constructiva y destructiva de múltiples frentes de onda originados en la abertura dará lugar a bandas brillantes y oscuras en la pantalla.
  • 14.7.A.4.ii La cantidad de interferencia entre dos frentes de onda depende de la diferencia de longitud de trayectoria $\Delta D$ de los frentes de onda.
  • 14.7.A.4.iii La diferencia de longitud de trayectoria $\Delta D$ puede describirse en términos del ancho de la abertura $a$ y del ángulo $\theta$ entre la dirección de propagación del frente de onda y la normal a la abertura mediante la ecuación $\Delta D = a\sin\theta$.
  • 14.7.A.4.iv Para ángulos pequeños, donde $\theta < 10°$, se puede utilizar la aproximación de ángulo pequeño para relacionar $\lambda$, $a$ y $L$ con $y_{\min}$, la distancia desde el centro de la franja brillante central hasta el orden $m^{\text{th}}$ de brillo mínimo en la pantalla.
    • Ecuación: $a\left(\dfrac{y_{\min}}{L}\right) \approx m\lambda$
• 14.7.A.5 El patrón de difracción producido por una onda que pasa a través de una abertura depende de la forma de la misma.
• 14.7.A.6 Las representaciones visuales de los patrones de difracción de una sola rendija son útiles para determinar las propiedades físicas de la rendija y las ondas interactuantes.

Objetivo de aprendizaje 14.8.A: Describir el comportamiento de una onda y el patrón de difracción resultante cuando la onda pasa a través de múltiples aberturas.

• 14.8.A.1 El patrón resultante de la luz monocromática con longitud de onda $\lambda$ incidente en dos rendijas separadas por una distancia $d$ es causado por una combinación de difracción e interferencia de ondas.
  • 14.8.A.1.i Cuando solo se considera la interferencia de ondas, una doble rendija crea un patrón de máximos uniformemente espaciados.
  • 14.8.A.1.ii La interferencia constructiva y destructiva de los frentes de onda que se originan en cada rendija dará lugar a bandas brillantes y oscuras en la pantalla.
  • 14.8.A.1.iii La cantidad de interferencia entre dos frentes de onda depende de la diferencia de longitud de trayectoria $\Delta D$ de los frentes de onda.
  • 14.8.A.1.iv La diferencia de longitud de trayectoria $\Delta D$ puede describirse en términos de la separación entre las rendijas $d$ y el ángulo $\theta$ entre la dirección de propagación del frente de onda y la normal a la abertura mediante la ecuación $\Delta D = d\sin\theta$.
  • 14.8.A.1.v Para ángulos pequeños, donde $\theta < 10°$, se puede usar la aproximación de ángulo pequeño para relacionar $\lambda$, $d$ y $L$ con $y_{\max}$, la distancia desde el centro de la franja brillante central hasta el máximo de brillo de orden $m^{\text{th}}$ en la pantalla.
    • Ecuación: $d\left(\dfrac{y_{\max}}{L}\right) \approx m\lambda$
  • 14.8.A.1.vi Al considerar la interferencia de ondas y la difracción de ondas, una doble rendija crea un patrón de interferencia de máximos y mínimos superpuestos dentro de la envolvente creada por la difracción de una sola rendija.
• 14.8.A.2 Los patrones de interferencia producidos por la luz que interactúa con una doble rendija indican que la luz tiene propiedades ondulatorias. La fuente de este descubrimiento fue el experimento de la doble rendija de Young.
• 14.8.A.3 Las representaciones visuales de los patrones de difracción de doble rendija son útiles para determinar las propiedades físicas de las rendijas y las ondas interactuantes.
• 14.8.A.4 Una rejilla de difracción es una colección de rendijas o aberturas paralelas uniformemente espaciadas que producen un patrón de interferencia que es la combinación de numerosos patrones de difracción superpuestos entre sí.
• 14.8.A.5 Cuando la luz blanca incide sobre una rejilla de difracción, el máximo central es blanco y los máximos de órdenes superiores dispersan la luz blanca en un arco iris de colores, con la luz de mayor longitud de onda (rojo) apareciendo más lejos del máximo central.

Objetivo de aprendizaje 14.9.A: Describir el comportamiento de la luz que interactúa con una película delgada.

• 14.9.A.1 Cuando la luz viaja de un medio a otro, parte se transmite, parte se refleja y parte se absorbe.
• 14.9.A.2 El cambio de fase de un rayo reflejado depende de los índices de refracción relativos de los materiales con los que interacciona el rayo.
  • 14.9.A.2.i Se produce un cambio de fase de 180 grados cuando un rayo de luz se refleja en un medio con un índice de refracción mayor que el del medio por el que viaja el rayo.
  • 14.9.A.2.ii No ocurre cambio de fase cuando un rayo de luz se refleja en un medio con un índice de refracción menor que el del medio por el que viaja el rayo.
• 14.9.A.3 La fase de una onda no cambia cuando se refracta al pasar de un medio a otro.
• 14.9.A.4 La interferencia de películas delgadas ocurre cuando la luz interactúa con un medio cuya espesor es comparable a la longitud de onda de la luz.
  • 14.9.A.4.i Las interacciones entre la luz reflejada inicialmente y la luz que sale de la película delgada después de ser reflejada en la segunda interfaz exhiben comportamiento de interferencia de ondas, resultando en una única onda que es la suma de las dos ondas que interactúan.
  • 14.9.A.4.ii La cantidad de interferencia constructiva o destructiva entre las dos ondas reflejadas depende de la relación entre el espesor de la película, la longitud de onda de la luz, cualquier desplazamiento de fase y el ángulo con el que incide la luz sobre la película.
• 14.9.A.5 Ejemplos prácticos de interferencia de películas delgadas incluyen las variaciones de color observadas en burbujas de jabón y películas de aceite, así como los revestimientos antirreflectantes.
  • 14.9.A.5.i El espectro de colores observado en películas de aceite y burbujas de jabón surge de diferencias en el espesor de la película.
  • 14.9.A.5.ii Los revestimientos antirreflectantes eliminan la luz reflejada aplicando las relaciones entre índices de refracción, desplazamiento de fase e interferencia de ondas para crear interferencia destructiva de la luz reflejada en las dos superficies del revestimiento.
  • 14.9.A.5.iii El revestimiento antirreflectante más simple tiene un espesor igual a un cuarto de la longitud de onda de la luz dentro del revestimiento, y el índice de refracción del revestimiento es mayor que el del aire y menor que el de la superficie sobre la cual se aplica el revestimiento. Esto asume que la luz incidente incide perpendicularmente a la superficie.

Declaración de límite: El análisis cuantitativo de la interferencia de películas delgadas se limita a ondas que inciden perpendicularmente a la superficie.