Apreciar el efecto Doppler en ondas sonoras.

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1. EXPERIMENTO No 4:
EFECTO DOPPLER
2. OBJETIVO
 Apreciar el efecto Doppler en ondas sonoras.
 Plantear una relación entre la frecuencia de la onda emitida por una fuente con la
frecuencia captada por un observador cuando están en movimiento relativo.
3. FUNDAMENTO TEORICO
EFECTO DOPPLER
Es el fenómeno que se presenta en el cambio en la longitud de onda o de la frecuencia de
una onda emitida cuando la fuente se encuentra en movimiento relativo con respecto a un
observador.
Las velocidades son respecto a un sistema inercial.
VS = velocidad de onda o del sonido
f 0 = frecuencia de la onda emitida por la fuente o
emisor.
Vemisor = velocidad de la fuente o emisor
VObservador = velocidad del observador o receptor
f P = frecuencia percibida por el observador
VS, rel = velocidad relativa de la onda
rel = longitud de onda relativa
=
VS
f0
-------------------------- (1)
Primer Caso: Fuente en Reposo y Observador en movimiento acercándose a la
fuente.
Vemisor = 0 m/s (en reposo)
La fuente o emisor en reposo, emite sonido con las siguientes características:
Frecuencia = f 0
Velocidad de la onda = VS
V
Longitud de onda:  = S
f0
VObservador  0 velocidad del observador o receptor
La onda percibida por el observador, acercándose con velocidad VObservador a la fuente,
tendrá las siguientes características.
Velocidad de la onda: VS,P = VS + VObservador
Longitud de onda:
P = 
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Frecuencia percibida: f P =
VS, P
V  VObservador
= S
= f0
λP
λ
 V  VObservador
f P = f 0  S
VS

 VS  VObservador

VS







En el caso que el observador se aleja de la fuente, se tiene:
 V  VObservador
f P = f 0  S
VS




Segundo Caso. Observador en reposo y fuente o emisor acercándose al observador.
La fuente inicialmente en reposo, emite sonido con las siguientes características:
Frecuencia = f 0
Velocidad de la onda o del sonido = VS
V
Longitud de onda: = S
f0
VObservador = 0 (observador en reposo)
Vemisor  0 velocidad de la fuente o emisor
Cuando la fuente o emisor se encuentra en movimiento, la longitud de la onda emitida
cambia su valor.
V
V V
Longitud de onda: P =  - emisor = S  emisor
f0
f0
f0
Velocidad de la onda: Vrel = VS


V
VS

Frecuencia percibida: f P = P  f 0 
P
 VS  Vemisor 


VS

f P = f 0 
 VS  Vemisor 
En el caso que la fuente se aleja del observador, se cumple:


VS

f P = f 0 
 VS  Vemisor 
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4.
PROCEDIMIENTO
CARGUE EL PROGRAMA CORRESPONDIENTE AL EXPERIMENTO
Con las pestañas: empieza, continúa y paso, ud. podrá controlar el experimento.
Nota importante
Los datos para todo el experimento son:
 Frecuencia de la onda emitida: f0 = 340 Hz
 Velocidad del sonido: Vs = 340 m/s
Debido al applet, los valores virtuales de la frecuencia, velocidades y el periodo fv , Vv
y Tv están normalizadas respecto al valor de f0 y VS por lo que se dan en fracciones
decimales.
Magnitudes
Frecuencia
Velocidad
Longitud de onda
Periodo de la onda
Ejemplo: Vv, emisor =
Si Vv, emisor = 0,200
Valores Virtuales
fv (sin unidades)
Vv (sin unidades)
λv (sin unidades)
Tv (sin unidades)
Vemisor
VS


Valores Reales
f = fv x f0 = 340fv (Hz)
V = Vv x VS = 340Vv (m/s)
λ = V / f (m)
T = 1 / f (s)
Vemisor = (Vv, emisor)VS
Vemisor = ( 0,200)(340
m
m
) = 68,0
s
s
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I.
FUENTE EN REPOSO Y OBSERVADOR EN REPOSO
Coloque los siguientes datos:
Velocidad de la fuente: Vemisor = 0,
Velocidad del observador: Vobservador = 0
Haga correr el programa con la pestaña Empieza, luego presione pausa y mida la
longitud de onda (distancia entre dos frentes de onda).
λv (m) =
Calcule la longitud de onda utilizando la ec. (1):
λ(m) =
Observando el Movimiento Oscilatorio según la fuente, tome los tiempos de una
oscilación completa t1 (instante cuando llega el 1er. frente de onda al observador) y t2
(instante cuando llega el 2do. frente de onda al observador), determine el periodo
virtual Tv = t2 – t1 y la frecuencia virtual f v y calcule T(s) y f (Hz).
Tv =
; f v=
; T(s) =
Explique si hay efecto doppler.
; f (Hz) =
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II.
FUENTE EN MOVIMIENTO Y OBSERVADOR EN REPOSO
IIa. Fuente acercándose al Observador en reposo.
a) Con los siguientes datos.
VObservador = 0 (observador en reposo)
Vv, emisor = 0,200
Corra el programa con Empieza, luego presione Pausa determine Tv y f v anótelos
en la Tabla I
b) siga el mismo procedimiento con los siguientes valores de Vv, emisor = 0,3; 0,4 y 0,8
y complete la Tabla I.
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Tabla I
Fuente acercandose al observador.
f p vs. Vemisor
fp (Hz)
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
Vemisor (m/s)
fP(Hz)
fP vs. VS/(VS - Vemisor)
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
vs/(vs-vemisor)
1
1.5
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IIa. Fuente alejándose del Observador en reposo.
Con los siguientes datos.
a) VObservador = 0 (observador en reposo)
Vv, emisor = 0,200
Corra el programa con Empieza, iniciar a tomar los datos cuando la fuente o emisor
pase al observador, luego con Pausa determine Tv y f v anótelos en la Tabla II.
b) siga el mismo procedimiento con los siguientes valores de Vv, emisor = 0,3; 0,4 y 0,8
y complete la Tabla II.
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TABLA II
vv, emisor
vemisor (m/s)
Oscilación percibida por el observador
Tv
fv
T (s)
f (Hz) vs/(vs+vemisor)
0.2
0.3
0.4
0.8
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
vemisor (m/s)
f P vs. Vs/(Vs+Vemisor)
1.2
1
fP (Hz)
fP (Hz)
Fuente alejandose del observador
fP vs. Vemisor
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
vs/(vs+vemisor)
1
1.5
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III.
FUENTE EN REPOSO Y OBSERVADOR EN MOVIMIENTO
Con los siguientes datos.
a) Vv, Observador = 0,200
Vv, emisor = 0 (emisor o fuente en reposo)
Corra el programa con Empieza, luego con Pausa determine Tv y f v anótelos en la
Tabla III.
b) siga el mismo procedimiento con los siguientes valores de Vv, Observador = 0,3; 0,4 y
0,6 y complete la Tabla III.
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Tabla III
Vv, observador
Vobservador (m/s)
Oscilación percibida por el observador
Tv
fv
T (s)
fP (Hz) (vs- vobservador)/vs
0.2
0.3
0.4
0.6
Observador alejandose de la fuente
fP vs. Vobservador
1.2
fP (Hz)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Vobservador (m/s)
fP vs. (VS - VObservador )/VS
fP (Hz)
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
(vs-vobservador)/vS
5. ANALISIS DE LOS RESULTADOS
(a) Con los datos de la Tabla I, haga las siguientes graficas utilizando Excel:
 f P vs Vemisor
VS
 f P vs.
.
VS  Vemisor
Elija la recta, determine la pendiente y plantee una ecuación de la
frecuencia percibida (f P) en función de la velocidad del emisor.
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Pendiente =
Ecuación: f P (Vemisor) =
(b) Con los datos de la Tabla II, haga las siguientes graficas utilizando Excel:
 f P vs. Vemisor
VS
 f P vs.
.
VS  Vemisor
Elija la recta, determine la pendiente y plantee una ecuación de la
frecuencia percibida (f P) en función de la velocidad del emisor.
Pendiente =
Ecuación:
f P (Vemisor) =
(c) Con los datos de la Tabla III, haga las siguientes graficas utilizando Excel:
 f P vs. Vobservador
V  VObservador
 f P vs. S
.
VS
Elija la recta, determine la pendiente y plantee una ecuación de la frecuencia percibida
(f P) en función de la velocidad del observador.
Pendiente =
Ecuación: f P (Vobservador) =
6. PREGUNTAS. (5 PUNTOS)
7. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES