Mecánica - LD Didactic

LD
Hojas de
Física
Mecánica
Teoría ondulatoria
Interferencia de ondas de agua
P1.6.5.3
Difracción
de ondas de agua
en una rendija y en un obstáculo
Objetivos del experimento
g Análisis de la difracción de ondas de agua rectilíneas en rendijas anchas
g Análisis de la difracción de ondas de agua rectilíneas en obstáculos anchos
Fundamentos
Las ondas se propagan detrás de un obstáculo o una rendija
no sólo en la dirección original. Se observan fenómenos de
difracción, los que ya fueron explicados en el experimento ”El
principio de Huygens en ondas de agua“ (P1.6.4.2). Cada
punto de la superficie de la rendija así como los bordes de la
misma o del obstáculo actúan como generadores puntuales
de ondas circulares u ondas elementales de Huygens, que se
superponen entre sí. Así, las amplitudes sufren un refuerzo
en determinados lugares (aparición de máximos); en otros,
no obstante, sufren una disminución o son directamente
anuladas (aparición de mínimos). El fenómeno de interferencia en el lugar depende del corrimiento de fase que sufren en
ese lugar las ondas que interfieren (ver ”Interferencia de dos
haces de ondas de agua“ (P1.6.5.1)).
Para representar los fenómenos de interferencia y de difracción en una rendija y detrás de obstáculos se generan en la
cubeta de ondas llena de agua frentes de onda rectilíneos
que inciden primero en la rendija y luego en los obstáculos
rectos.
0606-Brn
Las rendijas de distinto ancho se implementan con un diafragma (obstáculo de rendija ancha) y dos correderas de
obturación. Detrás de la rendija angosta (ancho de rendija
menor que la longitud de onda) se forman ondas circulares.
Si el ancho de la rendija es mayor que la longitud de onda, se
forman mínimos a los costados de un ancho máximo principal. Si se elige un ancho de rendija significativamente mayor
que la longitud de onda, las ondas rectilíneas marchan por
entre medio de aquélla sin sufrir variaciones. En esta zona,
las ondas elementales no presentan diferencias de fase entre
sí. En la zona de sombras de los bordes se propagan ondas
circulares más débiles.
Fig. 1
1
Difracción de ondas de agua en distintas rendijas anchas
(fotos)
Arriba: ancho de la rendija significativamente mayor que la
longitud de onda
Medio: ancho de la rendija algo mayor que la longitud de onda
Abajo: ancho de la rendija más pequeño que la longitud de
onda
P1.6.5.3
LD Hojas de Física
b) Propagación de ondas rectilíneas detrás de obstáculos de distinto ancho:
Materiales
– Retirar de la cubeta de ondas el obstáculo con la rendija
ancha, disponer ambas correderas anchas de obturación
como se esquematiza en la figura 5 (arriba) y ubicarlas
paralelas al generador de ondas en la mitad de la cubeta,
exactamente debajo de la lámpara.
1 cubeta de ondas con estroboscopio a motor 401 501
además:
detergente
– Observar la imagen de las ondas detrás del obstáculo.
– Seleccionar una frecuencia de 10, 15 y 20 Hz, ajustar
eventualmente la amplitud y observar las imágenes de
ondas detrás del obstáculo.
Los obstáculos de distinto ancho se logran con las correderas de obturación. Si contra un obstáculo inciden ondas rectilíneas, los bordes de dicho obstáculo actúan como los puntos
generadores de un generador doble. Detrás del obstáculo
aparece una estructura de interferencia como la que surge
con el generador doble (ver de nuevo “Interferencia de dos
haces de ondas de agua” (P1.6.5.1)).
– Ir cerrando primero las correderas de obturación (ver
figura 5, medio) para reducir el obstáculo. Repetir los pasos del experimento.
– A continuación, ubicar las dos correderas de obturación
angostas (ver figura 5, abajo).
Montaje
Ejemplo de medición
El montaje del experimento se muestra en la figura 2.
a) Propagación de ondas rectilíneas detrás de rendijas de
distinto ancho:
– Ubicar la cubeta de ondas libre de perturbaciones, ateniéndose siempre a sus instrucciones de uso.
En la figura 1 se muestran tres fotos con ejemplos de medición.
b) Propagación de ondas rectilíneas detrás de obstáculos de distinto ancho:
Realización
En la figura 6 se muestran tres fotos con ejemplos de medición.
a) Propagación de ondas rectilíneas detrás de rendijas de
distinto ancho:
– Ubicar el obstáculo con rendija grande exactamente en la
mitad de la cubeta de ondas, bajo la lámpara.
– Conectar, de acuerdo con la figura 3, el generador de
ondas rectilíneas y ubicarlo de forma paralela al obstáculo, a aproximadamente 5 cm de distancia.
Resultados
– Girar la placa del estroboscopio con el tornillo de cabeza
moleteada (f) apartándola del paso de la luz, de manera
que la hoja de vidrio del fondo de la cubeta esté iluminada
por completo.
Se verifican experimentalmente los fenómenos de difracción
explicados en Fundamentos:
a) Propagación de ondas rectilíneas detrás de rendijas
de distinto ancho:
Si se elige un ancho de rendija significativamente mayor que
la longitud de onda, las ondas rectilíneas marchan por entre
medio de aquélla sin sufrir variaciones. En la zona de sombras de los bordes se propagan ondas circulares más débiles. No se reconocen mínimos ni máximos.
– Seleccionar con la perilla (e) una frecuencia de aproximadamente 25 Hz y con la perilla (d) elevar con cuidado la
amplitud de la excitación hasta que se formen claros frentes de onda (ver instrucciones de uso para la cubeta de
ondas).
Si el ancho de la rendija es algo mayor que la longitud de
onda, se forman mínimos y máximos secundarios a los costados de un ancho máximo principal Los patrones de interferencia dependen de la longitud de onda. Los frentes de onda
de los máximos vecinos están corridos media longitud de
onda.
– Cambiar la profundidad de inmersión con el tornillo de
ajuste (h).
– Observar la imagen de las ondas detrás de la rendija.
– Determinar la longitud de onda λ. Para determinar la
longitud de onda real, considerar la escala de la imagen
(ver instrucciones de uso para la cubeta de ondas).
Si la rendija es pequeña en relación con la longitud de onda,
entonces actuará como un generador puntual de ondas circulares.
– Reducir el ancho de la rendija con las correderas de obturación de manera que sea algo mayor que λ (ver figura 4,
medio).
b) Propagación de ondas rectilíneas detrás de obstáculos de distinto ancho:
Las ondas se propagan detrás del obstáculo no sólo en la
dirección original. Entran no sólo entre los bordes sino también en las ”sombras“ y ahí siguen como ondas circulares.
– Observar la imagen de las ondas detrás de la rendija.
– Repetir el experimento con frecuencias de 10, 15, 20 y
30 Hz.
Detrás del obstáculo aparecen imágenes de interferencia
iguales a las de un generador doble. Aquí, los dos bordes
forman puntos generadores.
– Reducir el ancho de la rendija con las dos correderas de
obturación de manera que sea algo menor que λ (ver figura 4, abajo).
Los patrones de interferencia son determinados por el ancho
del obstáculo o bien por la longitud de onda. Al crecer el
ancho o bien al disminuir la longitud de onda, aumenta la
cantidad de hipérbolas de interferencia.
– Seleccionar una frecuencia de 25 Hz y variar la amplitud.
– Observar nuevamente la imagen de las ondas detrás de
la rendija.
2
P1.6.5.3
LD Hojas de Física
Fig. 2
Montaje para el experimento de interferencia de ondas de
agua
a interruptor del estroboscopio
b perilla (ajuste fino de la frecuencia del estroboscopio)
c pulsador (generación de ondas individuales)
d perilla (selección de amplitud para la generación de ondas)
e perilla (selección de frecuencia para la generación de ondas)
f tornillo de cabeza moleteada (giro manual de la placa del
estroboscopio)
Fig. 3
Conexión del generador para ondas rectilíneas
Fig. 4
Rendijas de distintos anchos, observadas desde el generador
Arriba: ancho de la rendija significativamente mayor que la
longitud de onda
Medio: ancho de la rendija un poco mayor que la longitud de
onda
Abajo: ancho de la rendija más pequeño que la longitud de
onda
Fig. 5
Obstáculos de distintos anchos
Arriba: muy ancho
Medio: ancho medio
Abajo: poco ancho
f
a b c d e
ON
OFF
40
30
20
10
50
60
70
80
STROBOSCOPE
401501
3
P1.6.5.3
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Fig. 6
Difracción de ondas de agua en distintos obstáculos anchos
(fotos)
Arriba: obstáculo ancho
Medio: obstáculo medio
Abajo: obstáculo angosto
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