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PRÀCTIQUES DE FÍSICA PER A ESTUDIANTS DE BATXILLERAT A LA UMH D'ELX 06-07

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Práctica: Fenómenos de interferencia en el sonido Objetivo Reproducir los fenómenos de interferencia con ondas sonoras de alta frecuencia. Cuestiones previas

¿Es audible por el ser humano el sonido de frecuencia superior a 20 kHz? ¿Qué características tienen dos focos emisores de ondas coherentes? ¿En qué consiste la experiencia de Young? ¿Cuál es la condición de interferencia constructiva, de intensidad máxima, y la condición de interferencia destructiva en punto? ¿El ultrasonido se propaga por el aire a la misma velocidad del sonido audible por el ser humano? Si conoces la frecuencia de un ultrasonido, ¿cómo podrías encontrar la longitud de onda de éste?

Materiales y montaje

2 emisores de ultrasonidos 1 fuente de alimentación de 15 V c.c. 1 receptor de ultrasonidos 1 plataforma con raíles circulares graduados 1 osciloscopio 1 soporte magnético inclinado 45º Cables conectores

Los dos focos emisores de ultrasonidos F1 y F2 están separados a una distancia a. El receptor está situado en un punto P del carril semicircular de radio R, centrado en el punto medio O que une los focos emisores.

Emisores ultrasonidos

Receptor móvil, conectado a un osciloscopio

Carril semicircular graduado

F1 F2

P

R

O

X2

X1

a

PRÁCTICAS DE FÍSICA PARA ESTUDIANTES DE BACHILLERATO EN LA UMH DE ELCHE 07-08 -2-

Fotografía del montaje

Conocimientos técnicos previos Hay que conocer:

Tener unos conocimientos mínimos sobre el manejo de un osciloscopio. Hipótesis Deduce la relación X2– X1 ˜ a senf de la figura siguiente (suponemos que el ángulo no es grande, -30<f<30): ¿Qué valores debe tomar X2– X1 para que en P la intensidad tome el valor máximo (interferencia constructiva)?

Emisores ultrasonido

Receptor móvil, conectado a un osciloscopio

Carril semicircular graduado

F1 F2

P

R

O

X2

X1

a

f

M0


Construye una tabla de valores que incluya el número del máximo y el ángulo correspondiente. ¿Qué valores debe tomar X2– X1 para que en P la intensidad tome el valor mínimo? ¿Hay relación entre la separación de los focos, a, y la posición de los máximos? Procedimiento experimental (medidas y representación gráfica)

Suponemos el receptor conectado a un osciloscopio e inicialmente colocado en el punto M0. Mide la intensidad de la onda registrada en este punto, anota en una tabla el valor del ángulo, 0, y el número de orden, 0. Desplaza hacia la izquierda el receptor, siguiendo el carril semicircular, ¿qué observas?, cuando vuelvas a tener otro valor máximo anota el ángulo, f, y el número de orden -1 si estás a la izquierda de M0, o +1,

si estás a la derecha. Continúa haciendo medidas hasta llegar a 30o, por un lado y otro del punto central, M0.

Repite las medidas para hacer una tabla de la localización de los mínimos.

Repite la experiencia anterior para dos valores diferentes de la separación entre los dos emisores, a.

INFORMACIÓN TÉCNICA de los APARATOS

En el centro de la plataforma está colocado el emisor más ancho (ver la fotografía), conectado a una fuente de alimentación de 15 V. Los dos interruptores de este emisor deben estar en posición continuo y paro , respectivamente. El emisor más estrecho es tá conectado al anterior, y colocado juntamente con el primero sobre un apoyo magnético inclinado 45º (esta inclinación permite que la distancia entre los emisores pueda ser pequeña).

El receptor está colocado en cero del carril semicircular de radio menor (R = 15 cm), y conectado a la entrada vertical del osciloscopio. Este debe estar ajustado a 0,1 V/div para la amplificación vertical y 0,1 ms/div para el barrido horizontal.

Ajuste previo

Los dos emisores son muy coherentes, pero hay que hacer un ajuste para que las amplitudes sean igual.

a) Coloca los dos emisores lo más cerca posible entre ellos (2 cm) de forma que el punto medio del segmento que los une sea equidistante del receptor (éste está colocado en el cero).

b) Pon el primer emisor en el máximo de emisión y coloca el interruptor marcha/paro en posición marcha. Desconecta el emisor segundo de manera que la señal captada por el receptor sea sólo el del primer emisor (anota el valor de la amplitud registrada en el osciloscopio).

c) Conecta ahora el segundo emisor al primero y coloca el interruptor marcha/paro en posición paro . Así el segundo emisor está activado. Con la ayuda del potenciómetro de éste, ajusta la amplitud de la señal recibida por el receptor hasta que tenga el mismo valor que el anterior.

d) Pon ahora el interruptor marcha/paro en posición marcha. Los dos emisores funcionan ahora simultáneamente y tienen la misma amplitud. (Quizá tienes ahora que reajustar ligeramente la posición del receptor hasta obtener la máxima amplitud posible).

e) Con los dos emisores activados y separados entre ellos una distancia de, por ejemplo, 4 cm, desplaza el receptor mu y poco a poco, desde la posición cero inicial, y anota los valores de los ángulos para los cuales se registran mínimos y máximos de intensidad. Después repetiremos el desplazamiento del receptor en sentido opuesto al anterior y comenzando también desde cero.


Con el montaje anterior mide la frecuencia del ultrasonido emitido por cualquiera de los focos emisores empleados. Recursos de Internet Modelización de la experiencia de Young http://www.ece.gatech.edu/research/ccss/education/Java/1998.Winter/Projects/pierce-woods/project/bin/projApp.htm http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/viewtopic.php?t=36 http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/more_stuff/flashlets/youngexpt4.htm Ciencia, técnica y sociedad Consulta en la bibliografía o Internet las posibles aplicaciones del ultrasonido. ¿Qué es el sonar y para qué se emplea? Final Elabora un informe a final para colgarlo en la web de la universidad. Éste debe incluir como mínimo lo siguiente (las indicaciones del anexo te pueden orientar):

Título de la experiencia (corto y que indique claramente de qué trata). Fotografía de los componentes del grupo, nombres y lugar donde estudiáis. Introducción (objetivo, fecha, donde habéis hecho la experiencia ...) Fundamento teórico (resumen teórico del fenómeno estudiado) Hipótesis (qué esperáis obtener, qué variables consideraréis y como esperáis que se comporten...) Diseño experimental (esquema del montaje, fotografía, características, materiales...) Procedimiento (explicar las acciones realizadas, incluyendo las observaciones que consideráis importantes) Medidas y cálculos (tablas de valores, magnitudes, unidades y representaciones gráficas...) Respuesta a las cuestiones finales Conclusiones (qué se ha demostrado, qué ventajas e inconvenientes tiene vuestro diseño experimental y vuestro método, otras cuestiones relacionadas que propondríais para ampliar la investigación ...) Bibliografía consultada de la siguiente forma: Apellido, nombre (año de publicación), título del libro en cursiva, Editorial, ciudad de publicación, página donde está la información - Si la fuente de información es Internet, hay que incluir la dirección electrónica.


Anexo: ayuda para elaborar el informe final

Acciones que debo hacer Estará bien hecho si...

1. Escoger un título para el informe

1.1 está de acuerdo con la experiencia 1.2 resume el objetivo principal 1.3 es sugerente

2. Identificar el objetivo principal 2.1 está de acuerdo con las finalidades del trabajo realizado 2.2 comienza con un verbo

3. Plantear la hipótesis 3.1 se indican las variables dependiente e independiente 3.2 se indican las variables controlables 3.3 se redactan utilizando la forma: “Si...... entonces ......

4. Indicar los materiales e instrumentos utilizados en la experiencia

4.1 se anotan todos 4.2 se nombran correctamente

5. Describir el procedimiento seguido

5.1 está de acuerdo con la hipótesis 5.2 se describen los diferentes pasos en párrafos separados 5.3 los párrafos son cortos, precisos y concisos 5.4 se acompaña con esquemas

6. Transcribir las observaciones y los datos

6.1 son sistemáticas en relación con la variable independiente 6.2 se utilizan tablas y cuadros 6.3 se visualizan fácilmente 6.4 incluyen observaciones sobre aspectos divergentes u otros

7. Transformar los datos 7.1 si permiten visualizar y llegar a conclusiones en relación con la hipótesis planteada 7.2 si se utilizan gráficos o esquemas

8. Redactar las conclusiones 8.1 responden a la hipótesis 8.2 se relacionan con aspectos teóricos que explican los resultados obtenidos 8.3 se diferencian las interpretaciones personales de las que son aceptadas científicamente 8.4 en la redacción se utilizan los términos científicos adecuados y sin errores 8.5 si las frases están bien construidas (atención a los conectores)

9. Revisar el texto elaborado 9.1 se comprueba que una persona que no ha hecho el experimento lo puede repetir 9.2 la presentación permite leer fácilmente el texto 9.3 la puntuación y lo ortografía son correctos


Anexo Nociones básicas sobre el uso del osciloscopio. El osciloscopio es un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical, que suponemos representado por Y, indica el voltaje; mientras que el eje horizontal, X, representa el tiempo.

Las direcciones siguientes nos facilitan información sobre los fundamentos y pasos que hay que seguir para un correcto funcionamiento del osciloscopio. HAMEG, uno de los equipamientos más usuales en muchos centros de enseñanza, está en http://www.hameg.se/osco/osco.htm; http://www.doctronics.co.uk/scope.htm#other es una página excelente para aprender a manejar el osciloscopio y, en http://www.ugr.se/~amroldan/asignaturas/curso03-04/cce/practicas/manuales/osciloscopio/osciloscopio.htm encontramos unas animaciones que pueden ayudarnos a entender la función de algunos botones de control. A continuación nos limitamos a dar unas nociones básicas sobre el osciloscopio. Dejamos que la ampliación de conocimientos se haga, entre otras, a través de la consulta de las direcciones anteriores. Pautas iniciales Coloca todos los botones de pulsar o desplazar en posición apagado (OUT) o hacia arriba (UP), todos los controles de botón de giro estarán CENTRADOS, y los controles centrales TIME/DIV, VOLTS/DIV y HOLD OFF estarán en posición calibrado (CAL), y, los controles TIME/DIV, VOLTS/DIV respectivamente en 1 V/DIV y 0.2 s/DIV. .

X

Y


VOLTS/DIV TIME/DIV

Ajuste inicial de control

Botones de pulsar

Botones de desplazar

Controles de giro

Controles de calibraje


Conectamos el osciloscopio a la red eléctrica y pulsamos el interruptor de encender

Todos los osciloscopios disponen de tres secciones básicas que nombramos: Vertical, Horizontal y Dispar. Tienen unos conectores BNC, donde se colocan las sondas de medida.

La mayoría de los osciloscopios actuales disponen de dos canales etiquetados en nuestro caso como I y II. El disponer de dos canales nos permite comparar señales. Es importante ajustar los diferentes controles del aparato a la posición estándar antes de proceder a medir. Los pasos recomendados son los siguientes: Ajusta el osciloscopio para visualizar el canal I (colocará como canal de dispar el I).

Ajusta una posición media la escala volts/división del canal I (por ejemplo 1v/cm).

Coloca en posición calibrada el mando variable de volts/división (el potenciómetro central). LAS MEDIDAS SE HARÁN SIEMPRE EN ESTA POSICIÓN.

Desactiva cualquier tipo de multiplicadores verticales. Coloca el conmutador de entrada para el canal I en acoplamiento DC.

Coloca el modo de dispar en automático.

Desactiva el dispar retrasado al mínimo o desactivado.


Sitúa el control de intensidad al mínimo que permita apreciar la traza en la pantalla, y la traza de foco ajustada para una visualización lo más clara posible (en general los comandos permanecerán con la señalización próxima a la posición vertical).

Sonda de medida Ahora estamos en condiciones de conectar la sonda de medida al canal I (CH I). Es muy importante utilizar las sondas diseñadas para trabajar en el osciloscopio, ya que esta sonda es un conector que evita ruidos que perturben la medida, y tengan un efecto mínimo sobre el circuito de medida. Esta facultad de la sonda recibe el nombre de efecto de carga, para minimizarla se utiliza el atenuador pasivo, generalmente de x10. La sonda que utilizaremos tiene un conmutador de utilización 1X o 10X. Esta última posición reduce la amplitud de la señal en un factor de 10. Hay que asegurarse de la posición del conmutador antes de hacer ninguna medida.

Compensación de la sonda Antes de utilizar una sonda atenuadora 10X es necesario realizar un ajuste en frecuencia L’ajustament de sonda consta de les passes següents: A) Connecta la sonda a l’entrada del canal I (CH I). B) Connecta la punta de la sonda a la toma per ajustar- la (calibrar-

Pinza de cocodrilo

Conector BNC Punta para ICs

Cuerpo de la sonda

Destornillador de ajuste

Cápsula de pinza retráctil


C) Modifica el condensador de ajuste hasta observar una señal cuadrada.

Desajustada Desajustada Ajustada

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