practica de ondas con ultrasonidos

Laboratorio de Física
INTERFERENCIA Y REFLEXIÓN CON ONDAS DE ULTRASONIDOS
1.- OBJETIVOS
Esta práctica pretende alcanzar dos objetivos fundamentales:
señales.
a) El manejo de una serie de instrumentos básicos como el osciloscopio y el generador de
b) El estudio de características importantes del movimiento ondulatorio como la amplitud,
frecuencia y longitud de onda; y de ciertos fenómenos físicos como la reflexión de una onda y la
interferencia entre dos ondas.
2.- DESCRIPCIÓN DEL MONTAJE EXPERIMENTAL
Figura 1 . Dispositivo Experimental
a) Osciloscopio. El instrumento de medida utilizado es el osciloscopio. Los osciloscopios
que se usarán en las experiencias poseen dos canales (A y B), con una sensibilidad máxima en cada
canal de 5 mV/división. Para su conexión a las distintas fuentes de señal se dispone de cables BNCBNC. (Ver características en hoja adjunta)
b) Generador de funciones. El generador de funciones trabaja en un rango de Hz a
Mhz y genera tanto señales sinusoidales como cuadradas y triangulares. (Ver características en hoja
adjunta)
Ultrasonidos
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c) Emisores y Receptores de Ultrasonidos (EUS y RUS). En las experiencias
con ultrasonidos (ondas sonoras inaudibles de frecuencia ~ 40 KHz), se usan Emisores de
UltraSonidos (EUS) y Receptores de UltraSonidos (RUS). Los EUS se distinguen por presentar
un pequeño cuadrado inscrito dentro del círculo.
Tanto los EUS como los RUS están colocados sobre unos soportes de plástico y la
conexión a los mismos se realiza con los conectores BNC. Hay que resaltar que los EUS tienen una
curva de respuesta muy limitada, de modo que la emisión de ultrasonidos solo es óptima en una
banda estrecha, siendo FUNDAMENTAL su correcta sintonización.
d) Plano de escalas lineales y angulares (ELYA). Los soportes citados
anteriormente se dispondrán sobre este plano provisto de Escalas Lineales y Angulares.
e) Pantalla. Para la experiencia de reflexión se hará uso de una pantalla plana dispuesta
verticalmente.
3.- REALIZACIÓN PRÁCTICA
3.1.- Cálculo de la Frecuencia y Amplitud de una Señal
Conecten el osciloscopio girando el mando “INTENS” (5) hacia la derecha. Sitúen los
conmutadores “ON/OFF” (11) de los canales A y B (17) en ON y los “AC/DC” (12) en AC. Hagan
uso de los controles de posición vertical (2) y de posición horizontal “X POSITION” (3) para situar
la traza de los canales. Cerciórense de que la base de tiempos TIME/DIV (8) y el conmutador
µs/ms (7) permiten una traza continua (para ello el conmutador (7) debe estar en la posición de ms):
la combinación de los conmutadores (7), (8) y (9) permite seleccionar velocidades de barrido entre
0,5 µs/DIV y 1 s/DIV.
Conecten la salida BNC del transformador al canal A ó B (17) del osciloscopio y
POSTERIORMENTE enchúfenlo a la red. Deberán visualizar en el osciloscopio una señal
sinusoidal, señal definida a través de la expresión:
x=Asen(ωt+ϕ)
(1)
siendo:
x: elongación, distancia entre la posición de la partícula vibrante en cualquier instante y la posición
de equilibrio.
A: amplitud, valor máximo que puede tomar la elongación.
ωt+ϕ: fase, su valor determina el estado de vibración o fase del movimiento.
ω: pulsación o frecuencia angular, representa la velocidad angular constante del movimiento
(ω=2π/T = 2πν).
ϕ: fase inicial, su valor determina el estado de vibración para t=0
T: periodo, tiempo que tarda el movimiento en repetirse, es decir, en realizar una vibración
completa.
ν: frecuencia, número de vibraciones completas realizadas en un segundo.
Ultrasonidos
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Para estabilizar la señal y poder realizar las medidas oportunas deben hacer uso del sincronismo
interno (conmutador INT/EXT (15) en INT), seleccionar el conmutador A/B (13) según el canal
A/B que se haya conectado y eventualmente girar el selector LEVEL (4), nivel de disparo.
Determinen la amplitud y la frecuencia de la señal, realizando las medidas sobre las
escalas vertical y horizontal del osciloscopio, teniendo en cuenta el valor usado para los coeficientes
de deflexión vertical (AMPL/DIV) (6) y horizontal (TIME/DIV, µs/ms, MAGN x1/x5 (9)). Cada
división corresponde a uno de los cuadrados en la pantalla.
Para que las medidas sobre la escala horizontal sean correctas, el control giratorio situado a la
derecha de la base de tiempos ha de estar en la posición CAL(10), de CALIBRADO.
Realizar las medidas para dos valores diferentes de los coeficientes de deflexión vertical y horizontal.
Nº de divisiones
de pantalla (DIV)
Nº de divisiones
de pantalla (DIV)
Factor de multiplicación
(Coeficiente de deflexión
vertical AMPL/DIV)
Factor de multiplicación
(Coeficiente de deflexión
horizontal TIME/DIV)
Periodo (s)
Amplitud (V)
Frecuencia (Hz)
Al terminar esta parte de la práctica DESCONÉCTESE EL TRANSFORMADOR DE LA RED y
retírense las conexiones de los canales A y B del osciloscopio.
3.2.- Longitud de Onda
Enchufen el generador de funciones y conéctenlo, mediante un adaptador BNC-dobleBNC,
a uno de los dos canales del osciloscopio, por un lado, y por el otro a uno de los dos EUS.
Seleccionen una frecuencia de 40 KHz
En el otro canal del osciloscopio conecten la señal del RUS. EUS y RUS deben estar
enfrentados y colocados en el plano ELYA a una distancia de unos 35-40 cm.
Ajustándose adecuadamente los controles del osciloscopio (ahora el conmutador (7) debe
estar en µs) se visualizarán dos señales de idéntica frecuencia aunque con distinta amplitud ( la señal
del RUS es más débil).
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Moviendo el RUS en la escala lineal que le une con el EUS, se verá en el osciloscopio el
desplazamiento de una sinusoide respecto a la otra. Midiendo en el ELYA la separación entre los
puntos para los cuales una sinusoide se desplaza respecto a la otra un número determinado de
periodos completos, se obtendrá una buena estimación de la longitud de onda. Con este valor así
obtenido y la frecuencia de la señal, se podrá calcular la velocidad del sonido.
Nº Periodos
Distancia recorrida
(cm)
λ (cm)
λ (cm)
10
15
Velocidad del Sonido
Comparen este valor con el valor teórico y calculen el error relativo.
3.3.- Ley de la Reflexion
Coloquen la pantalla centrada sobre la línea “0” en la escala lineal de la ELYA, y sitúen el
EUS a una distancia de la pantalla ≈ 35 cm y a un ángulo α= 20o. Coloquen el RUS a la misma
distancia, orientado igualmente hacia el origen de coordenadas, en la posición angular opuesta.
Desplacen el RUS, a lo largo de la línea angular, acercándolo y alejándolo del EUS y tomen los
valores de la amplitud para los ángulos que deseen. Estos valores se representarán gráficamente
(A=f(α) y deberán indicar que existe un máximo en la señal recibida para un ángulo
justamente igual al de incidencia. Deberá discutirse la validez de la ley de reflexión sopesando las
limitaciones del dispositivo experimental utilizado.
Ángulo
Ultrasonidos
Amplitud
Ángulo
Amplitud
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3.4.- Interferencia. Franjas de Young
Figura 2. Franjas de Young
Dos fuentes emisoras en fase, separadas una distancia d, originan una interferencia. Esta
interferencia será constructiva ó destructiva dependiendo de si la diferencia de camino seguido por
cada onda (∆=dsenα), es igual a un número par ó impar de semilongitudes de onda,
respectivamente:
sen α máx = ( 2n )
sen α mín
λ 1 nλ
=
2d d
λ1
= ( 2n + 1)
2d
n = 0, 1, 2 ........MÁXIMOS
n = 0, 1, 2 .......
(2)
MÍNIMOS
(con ángulos no excesivamente grandes es posible aplicar la aproximación sen α =α)
Se estudiará la interferencia producida por dos EUS emitiendo al unísono (en fase,
coherentemente) al estar alimentados por un mismo generador. En el soporte los EUS están
separados entre sí una distancia de 5 cm.
Conecten los dos EUS al generador de señal, sintonizado previamente a 40 KHz, y
coloquen el soporte en el origen de coordenadas del plano ELYA procurando que el punto medio
entre los dos EUS coincida con dicho origen. Sitúen el RUS, a unos 35 cm del EUS, orientado
hacia el origen de coordenadas y varíen su posición angular abarcando un intervalo de 20o en ambos
sentidos, realizando medidas de la amplitud cada 2o. Representen gráficamente estas medidas y
comparen los resultados con la curva teórica.
Ultrasonidos
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Ángulo
Amplitud
Ángulo
Amplitud
A partir de la representación gráfica experimental, relacionen la diferencia angular entre dos
máximos ó mínimos consecutivos y teniendo en cuenta la expresión (2) calculen el valor de la
longitud de onda y comparen su valor con el calculado en el apartado 3.2. Expresen el
porcentaje de error entre ambas determinaciones.
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