Tema 11. Ondas: Luz y sonido.

Tema 11. Ondas: Luz y sonido.
CONCEPTOS BÁSICOS.
La energía es un concepto difícil, y las ondas quizá también. Pero vamos a trabajar
sobre ellas para intentar entender dos de los fenómenos más comunes en nuestra vida
diaria: la luz y el sonido. Tendrás que entender qué es una onda y sus parámetros
básicos. De ahí saltaremos a la naturaleza de la “luz” y sus variaciones. De este modo
deberas comprender los fundamentos de los colores de luz y pigmentos. Nos haremos
una idea de cual es la velocidad de la luz y explicaremos algunos fenómenos como el
funcionamiento de un espejo, las lentes de unas gafas y la anatomía básica del ojo
humano.
El sonido se basa en principios parecidos. Tendrás que conocer algunas de sus
cualidades y cómo nuestro oído es capaz de recibirlo. Entenderás finalmente como
funciona el órgano del sexto sentido: el equilibrio.
CONTENIDOS:
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13.
¿Qué es una onda?
La luz.
La velocidad de la luz.
Los colores.
El uso de los colores.
1. Colores luz
2. Colores pigmento.
La percepción del color: el ojo.
La reflexión de la luz.
La refracción de la luz.
El sonido.
la velocidad del sonido.
La cualidad del sonido.
1. Intensidad.
2. Tono.
3. Timbre.
La percepción del sonido: el oído.
El sentido del equilibrio.
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IES Santiago Grisolía. Profs.: Luis P. Ortega y José Luis Fernández.
1. ¿Qué es una onda?
Una onda es una forma de propagación de energía de
un lugar a otro que no va acompañado de un
desplazamiento de materia en dicha dirección.
Cuando movemos una cuerda arriba y abajo se
produce una onda en ella. La cuerda no avanza pero
transmite la energía al otro extremo de la cuerda.
Compruébalo.
Dicha onda tiene crestas, valles y una distancia entre
dos crestas o valles consecutivos a la que llamaremos
“longitud de onda” (λ, pronunciado lambda) Esa
longitud se mide en las unidades de longitud del
Sistema Internacional y para la luz visible es del orden de nm (nanómetros: 10-9 m, la
milmillonésima parte del metro).
La Frecuencia representa el número de oscilaciones por segundo se mide en Hertzios.
Un Hertzio (símbolo: Hz) se corresponde con una frecuencia de 1 oscilación /s.
La luz y el sonido son ondas. Veamos la luz
2. La Luz.
La luz es un tipo de onda que se puede transmitir en el vacío, es decir, no se trata de
oscilaciones de la materia por la que se propagan (el aire en el caso del sonido). Es
decir, se trata de ondas que llamamos electromagnéticas.
Una unidad de radicación electromágnética es el fotón.
Cuando un fotón incide sobre un objeto puede:
a.
Atravesarlo sin cambiar de dirección. TRANSPARENCIA.
b. Atravesarlo cambiando de dirección: REFRACCIÓN.
c.
“Rebotar” decimos que sufre REFLEXIÓN o que se refleja.
d. Ser absorbido: ABSORCIÓN (comunica su energía al objeto): el objeto se
calienta.
Si consideramos un conjunto de fotones hablamos de un HAZ de fotones.
No todos los fotones de un haz se comportan igual, depende de la naturaleza del
objeto:
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Si la mayoría pasan decimos:
•
que el objeto es transparente si los fotones atraviesan y se conserva la
imagen.
•
Que el objeto es translucido sin no se conserva la imagen.
No si consiguen atravesar entonces decimos que es opaco:
•
Si la mayoría se reflejan y se conserva la imagen hablamos de espejos.
•
La cantidad de fotones que se reflejan depende del color de la superficie.
Blanco refleja muchos, el negro los absorbe casi todos.
•
Cuantos más fotones absorbe una superficie más se calienta.
Dos ejemplos:
a.
La luz incidiendo sobre el cristal de la ventana: la mayoría de los fotones
atraviesa el cristal, pero una parte se refleja y otra se absorbe por el propio
cristal (el cual se calienta).
b. La luz incide sobre una prenda de ropa a rayas blancas y negras. Las
rayas negras absorberán casi todos los fotones y se calentarán, las blancas
reflejarán la mayoría y se calentarán menos.
3. La velocidad de la Luz.
La luz viaja en el vacío (en el espacio entre los astros) a 300.000 km/s. Es el
equivalente a dar siete vueltas y media a la Tierra en 1 segundo.Con otro ejemplo, la
luz tarda 8 minutos y 20 segundos (500 s) en recorrer los 150 millones de Km que
separan el Sol de la Tierra.
Cuando la luz atraviesa los objetos se frena. Así en el agua se velocidad es de 225.000
km/s y en el vidrio de aproximadamente 200.000 km/s.
La distancia que recorre la luz en un año (300.000 km * 31.536.000 s = 9460800000000
km) se conoce como UN AÑO LUZ y es la unidad que utilizamos para medir
distancia en el espacio ( por ejemplo, la estrella polar está a 433 años luz, o dicho de
otro modo, la luz que vemos hoy salió de allí hace 433 años, 2016-433= 1583, reinando
Felipe II).
4. Los colores.
Cuando la longitud de onda de un fotón es de 400 nm, e incide sobre nuestro ojo, la
vemos como violeta. Si, por el contra, está próxima a 700 nm la vemos como roja.
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Es decir, los fotones no son todos
iguales, se diferencian en la longitud
de onda. Nuestros ojos pueden ver
aquellos fotones cuya longitud de
onda está entre 740 y 400 nm
aproximadamente.
Cuando la longitud de onda es
mayor de 740 no podemos verla pero
está ahí y de denomina Infrarroja
(IR). Cuando es menor de 400 se
denomina Ultravioleta (UV)
De ellas hablamos en el tema de la
atmósfera y su comportamiento respecto a los objetos con los que incide es el mismo
que la luz VISIBLE, solo que para nosotros esos fotones son invisibles (no podemos
verlos con nuestros ojos).
Nuestros ojos interpretan como luz blanca la suma de fotones de fotones de diferente
longitud de onda.
Cuando hacemos pasar un haz de luz “blanca” a través de un prisma los fotones se
refractan o reflejan en diferente ángulo en función de su longitud de onda y se
pueden ver. Así se forma el arco iris cuando la luz del sol incide sobre gotitas de agua
en suspensión. (otras superficies como las de los CDs producen el mismo fenómeno).
Cuando vemos un objeto de color rojo es porque dicho objeto refleja sólo los fotones
de unos 700 nm y absorbe los demás. La infinita gama de colores se debe a las
infinitas combinaciones de tipos de fotones reflejados.
5. El uso de los colores.
5.1 Colores luz.
Son los que produce la emisión de fotones. Se distinguen tres colores primarios: rojo,
verde y azul. Cuando iluminamos con una mezcla de ellos aparecen otros más claros
(puesto que sumamos luz).
o
o
o
o
Verde y azul: cian,
Verde y rojo: amarillo,
Rojo y azul: magenta,
Rojo, verde y azul. BLANCO.
¿Sabes que por este método puedes hacer sombras de colores?
Si iluminas el suelo desde tres puntos distintos con focos rojos, verdes y azules verás blanco,
pero si haces sombra con uno de ellos el suelo quedará iluminado por los otros dos dando una
sombra de color correspondiente. Por ejemplo, si haces sombra con el azul, la sombra será
amarilla, si lo haces con el verde la sombra será magenta.
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5.2 Colores pigmento.
Son los colores que reflejan los objetos
(pigmentos). De este modo la suma de colores
produce que se absorban más fotones y por
tanto el resultado es más oscuro. Aquí se
consideran colores primarios : cian, magenta y
amarillo, y las mezclas:
o
o
o
o
Cian + amarillo: verde.
Cian + magenta. Azul
Amarillo + magenta: rojo
Cian + amarillo + magenta : negro.
6. La percepción del color: el ojo.
El ojo es el órgano en el que reside el
sentido de la vista. Tiene la capacidad
de ser excitado por los fotones de
longitud de onda entre 400 y 740 nm
aproximadamente.
La luz penetra en el ojo atravesando
la córnea y entrando por el orificio
que deja el iris (pupila) la cual se
dilata ante la falta de luz o se cierra
cuando hay demasiada.
Atraviesa una lente, denominada cristalino, situada inmediatamente detrás que es
capaz de deformarse (acomodación) para enfocar la imagen sobre el fondo del ojo
donde se encuentra la capa de células sensibles a la luz: la retina.
La imagen tiene que proyectarse nítida sobre ella y
allí unas células denominadas conos (perciben el
color) y bastones (perciben luz a baja intensidad
en tonos de gris) se excitan y envían señales al
cerebro a través del nervio óptico.
En el centro de la retina se localiza una alta
concentración de conos de modo que en ella se
obtiene la máxima definición. Esta zona se
denomina mácula o fóvea.
La salida del nervio óptico carece de células
sensibles y por tanto es un punto ciego.
Los defectos en los elementos necesarios para poder enfocar con nitidez sobre la
retina dan lugar a diversas enfermedades o defectos oculares:
o
Un ojo demasiado largo: miopía
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o
o
o
o
Un ojo demasiado corto: hipermetropía.
Lentes no circulares: astigmatismo.
Cristalino poco flexible ( con la edad) : vista cansada.
Un cristalino translucido: cataratas.
7. La reflexión de la luz.
Ya dijimos que la reflexión es el “rebote” de un fotón sobre una superficie.
Cuando un haz de fotones incide sobre una superficie lisa y pulimentada los fotones
mantiene un ángulo idéntico de salida y entrada respecto a la perpendicular a la
superficie. En otras palabras: todos los fotones que llegan procedentes de una fuente
salen TODOS en la misma dirección y la imagen se conserva.
Si la superficie no es plana se produce una cierta deformación de la imagen dando
lugar a espejos curvos.
Cuando la reflexión se produce sobre una superficie rugosa cada fotón rebota en
direcciones diferentes lo que hace imposible que la imagen se conserve. Es lo que
sucede normalmente.
La luz que entra por una ventana se refleja sobre los objetos en todas direcciones y
permite que toda la habitación se ilumine. Permite por tanto que llegue a nuestros
ojos desde todas partes y podamos ver los objetos.
¿Por qué hay más luminosidad en la calle en un día que ha nevado que en otro
cualquiera? La nieve refleja un porcentaje mayor de fotones que el suelo gris o la tierra
marrón.
8. La refracción de la luz.
La refracción es el cambio de dirección que experimenta un haz de luz cuando pasa
de un medio a otro (del aire al agua, del aire al cristal, etc.).
En esto se basan las lentes. Generalmente están hechas de vidrio, pero pueden
hacerse de cualquier otro material transparente (incluso una bolsa de plástico llena de
agua).
Las lentes convergentes tienen mayor grosor en el centro (tal como una lupa) y
concentran los fotones hacia un punto denominada foco. Los fotones concentran
toda su energía en este punto, si el objeto absorbe esta energía se calienta hasta tal
punto que puede empezar a arder.
Las lentes divergentes tienen mayor grosor por los bordes y dispersan los fotones.
Son las lentes que necesitan los miopes.
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9. El sonido.
El sonido se origina por la vibración de un objeto dentro de un medio que permita la
propagación de dicha vibración (sólido, líquido o gaseoso. No en el vacío).
Por tanto:
o
Requiere un medio material por el que
propagarse.
o
Lo hace como una onda en todas direcciones
dentro de ese medio.
o
Transporta energía pero la materia no se desplaza
ya que son unas moléculas las que golpeando a
otras le transfieren la energía.
10. La velocidad del sonido.
La velocidad del sonido depende de la naturaleza del medio por el que se propaga.
Es mayor en los sólidos que en los líquidos y en estos mayor que en los gases (como
el aire).
Quizá hayas visto en alguna película como un personaje se agacha y pone la oreja
sobre los raíles del tren para saber si ya se acerca. Esto es debido a que el sonido viaja
mucho más rápido por el rail que por el aire.
Si en un día de tormenta observas un rayo o un
relámpago te darás cuenta que el ruido que
genera (el trueno) te llegará unos instantes
después de que hayas visto la luz. Si desde que
viste el rayo hasta que oíste el trueno pasaron
tres segundos ¿a qué distancia cayó el rayo?
El sonido recorre 340 m por cada segundo. Si tardó
3 segundos, entonces :
340 m x 3 = 1020 m.
VELOCIDAD DE
PROPAGACIÓN DEL SONIDO.
AIRE
340 m/s
AGUA
1500 m/s
HIERRO
5130 m/s
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11. Las cualidades del sonido.
11.1 Intensidad.
Nos indica la cantidad de energía que
se transmite con el sonido.
La energía es producida por el objeto
que vibra y, al igual que una onda en
el río, esa energía se reparte por toda
la onda según avanza, por tanto,
cuando llega a un receptor puntual
(como tu oído) la cantidad de energía que recibes es
menor cuanto más lejos estés de la fuente de energía.
La unidad que se utiliza para medir la intensidad de
un sonido es el decibelio (la décima parte del un
Belio).
11.2 Tono.
El tono viene determinado por la frecuencia.
Frecuencias bajas se denominan Graves.
Frecuencias altas se denominan Agudas.
Quizá puedas imitar sonidos graves y agudos con tu
voz. Mientras lo haces pon tu mano sobre la laringe
para observar lo que sucede. ¿Vibra? ¿Cómo?
140 dB
Umbral del dolor
130 dB
Avión despegando
120 dB
Motor de avión en marcha
110 dB
Concierto
100 dB
Perforadora eléctrica
90 dB
Tráfico
80 dB
Tren
70 dB
Aspiradora
50/60 dB
Aglomeración de Gente
40 dB
Conversación
20 dB
Biblioteca
10 dB
Respiración tranquila
0 dB
Umbral de audición
11.3 Timbre:
Cualidad que nos permite distinguir sonidos de igual intensidad y tono. Viene
determinado por la cualidad del objeto que vibra. Las cuerdas vocales de cada
persona, la forma de su laringe (distinta en cada persona pero muy distinta entre
hombres y mujeres), la forma de un instrumento (violín, guitarra, piano,…). Esto nos
permite, por ejemplo, distinguir la voz particular de cada persona.
De modo similar a las ondas en el agua, cuando las ondas sonoras chocan contra un
objeto se reflejan produciéndose un fenómeno denominado Eco. Si la superficie del
objeto es lisa el rebote del sonido es limpio y podemos oír con claridad el sonido
original. La distancia mínima del objeto debe estar en
torno a 17 metros para que el efecto se produzca.
Cuando estamos en una habitación vacía y de paredes
lisas el sonido rebota y se produce un efecto de sonidos
denominado reverberación. Para evitarlo se colocan
objetos que hagan que el rebote sea difuso. En las aulas
de música es común el uso de hueveras pegadas en la
pared para dispersar el sonido y evitar la
reverberación.
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12. La precepción del sonido: el oido.
Observa la imagen de la anatomía del oído.
Y el video .
Se puede dividir en tres partes bien
definidas:
1.- Oído externo: incluye el pabellón
auditivo (oreja) y el canal auditivo. Las
ondas producidas en el aire por el sonido
penetran por el conducto o canal auditivo
de modo que hacen vibrar la membrana
situada al final a modo de piel de tambor
denominada tímpano.
2. Oído medio. Comienza en el tímpano que
está unido a una cadena de huesecillos llamados : martillo, yunque y estribo. Estos
huesecillos se articulan entre si y transmiten la vibración hasta el oído interno.
3. Oído interno. Está formado por una estructura compleja en forma de caracol que
se encuentra llena de líquido. En las paredes internas se localizan unas células
sensibles a las vibraciones que cuando se mueven transmiten un impulso nervioso al
cerebro mediante el nervio auditivo y el cerebro interpreta estas señales como
sonido.
Toda la estructura del caracol se localiza dentro del hueso del cráneo. Se accede a ella
por un pequeño orificio denominado ventana oval que es donde se apoya el estribo.
13. Sentido del equilibrio.
Asociado al oído interno hay tres canales semicirculares en direcciones
perpendiculares entre si. En ellos reside el sentido del equilibrio. Algunos problemas
de oído suelen ir asociados a problemas en el equilibrio (mareos).
Los seres humanos podemos oír frecuencias que van desde los 20 Hz (graves) hasta
los 20000 Hz (agudos). Con la edad se empieza a perder la capacidad de oír, sobre
todo los tonos agudos. Quizá hayas notado en tus abuelos que no son capaces de oír
el sonido de un teléfono cuando es agudo.
Algunos animales pueden oír sonidos muy agudos tal como los perros o los
murciélagos. Estos últimos cazan mediante el eco. Emiten gritos muy agudos que
escuchan mediante el eco que producen en sus presas calculando así dirección y
distancia en plena oscuridad.
El eco que produce el fondo del mar o los objetos que nadan en él es el fundamento
del SONAR que utilizan los barcos o los submarinos.
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PREGUNTAS.
1.- ¿Qué se entiende por onda?
2.- ¿Qué es la frecuencia de una onda?¿cuál es la unidad?
3.- ¿Qué se entiende por longitud de onda? ¿En qué unidades se mide?
4.- ¿Qué se entiende por frecuencia? ¿Cuál es su unidad?
5.- ¿qué puede sucederle a un fotón cuando incide sobre un cuerpo?
6.- Explica que le sucede a los fotones que inciden sobre el cristal de la ventana.
7.- ¿Cómo funciona un espejo?
8.- ¿Por qué se calienta más un jersey negro que uno blanco?
9.- ¿a qué velocidad viaja la luz en el espacio?
10.- ¿Cuánto tarda la luz en llegar a Júpiter desde el Sol si están a 1.500.000 .000 km
11.- ¿qué longitud de onda tiene la luz verde (aproximadamente)?
12.- ¿y cual la luz ultravioleta?
13.- Si tienes dos linternas (luz blanca) como harías para iluminar con luz magenta un
escenario.
14.- ¿Qué sucede si mezclas pintura amarilla y cian?
15.- ¿qué pasa con tu iris cuando hay poca luz?
16.- ¿qué les pasa a los miopes? ¿Y a los hipermétropes?
17.- ¿Qué células captan los colores y donde se localizan?
18.- ¿por qué tenemos un punto ciego en el ojo? ¿cómo se localiza?
19.- ¿Por qué crees que te ves estupenda en algunos probadores de ropa?
20.- ¿qué tipo de lente lleva un miope y un hipermétrope?
21.- ¿Es posible que el sonido se transmita en el vacío?
22.- ¿Cuánto tiempo tarda el sonido de una sirena en llegar a 2 km de distancia?
23.- ¿Por qué el eco lo oyes un instante después de que hayas gritado?
24.- ¿Quién oirá antes el sonido de una lancha un pescador en una lancha o un buceador, si
ambos están a la misma distancia de la lancha?
25.- ¿Hacia dónde se mueve la laringe cuando cambias de agudo a grave?
26.- ¿Qué fenómeno te permite saber que estas en una habitación vacía si tienes los ojos
cerrados?
27.- ¿Entre que frecuencias podemos oír los humanos?
28.- ¿Qué es un ultrasonido?
29.- Si la frecuencia en el aire es de 10000 Hz, ¿cuál es su longitud de onda?
30.- ¿Cómo crees que funciona un silbato para perros?
31.- ¿En qué se basa el uso del Sonar?
32.- ¿Cómo se llaman los huesecillos de tu oído?
33.- ¿Dónde se localiza el sentido del equilibrio?
34.- ¿Por qué algunos animales tienen orejas grandes que pueden orientar?
35.- ¿Qué consecuencias tiene un tapón de cera en el canal auditivo ?
36.- Algunos audífonos se sitúan detrás de la oreja pegados al hueso del cráneo, ¿por qué?
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