Fenómenos ondulatorios y aplicaciones

Un excursionista grita frente a la pared vertical de un acantilado y oye el eco $1,6\ \text{s}$ después (velocidad del sonido en el aire: $340\ \text{m/s}$). El esquema representa el recorrido del sonido.

1. a) Explicá por qué se produce el eco, nombrando el fenómeno ondulatorio responsable.
2. b) Teniendo en cuenta que el sonido recorre dos veces la distancia a la pared, calculá a qué distancia está el acantilado.

Un rayo de luz incide sobre un espejo plano formando un ángulo de $35^\circ$ con la normal. La figura muestra el rayo incidente.

1. a) Enunciá las dos leyes de la reflexión.
2. b) Determiná el ángulo de reflexión y el ángulo que forma el rayo reflejado con la superficie del espejo.

Un rayo de luz pasa del aire al agua y se observa que se acerca a la normal.

1. a) ¿Qué fenómeno ondulatorio experimentó el rayo? Definilo.
2. b) Indicá qué magnitud de la onda no cambia al pasar de un medio a otro y cuáles sí cambian (velocidad de propagación y longitud de onda). Justificá por qué la frecuencia se conserva en el cambio de medio.

Un rayo de luz incide desde el aire ($n_1 = 1$) sobre la superficie del agua ($n_2 = 1,33$) con un ángulo de incidencia de $40^\circ$ (dato: $\sen 40^\circ \approx 0,64$). La figura representa el cambio de dirección del rayo.

1. a) Escribí la ley de Snell de la refracción y sustituí en ella los datos del enunciado, dejando $\sen r$ como incógnita.
2. b) Calculá el ángulo de refracción.

El sonar de un buque oceanográfico emite un pulso de ultrasonido de $50\ \text{kHz}$ hacia el fondo marino y el eco regresa $0,8\ \text{s}$ después (velocidad del sonido en el agua: $1500\ \text{m/s}$). El esquema muestra el recorrido del pulso.

1. a) Calculá la profundidad del fondo, recordando que el pulso hace un recorrido de ida y vuelta.
2. b) Calculá la longitud de onda del pulso en el agua y expresala en centímetros.

En el laboratorio se hace incidir un rayo láser desde el aire ($n_1 = 1$) sobre una placa de vidrio con un ángulo de $50^\circ$ y se mide un ángulo de refracción de $30^\circ$ (datos: $\sen 50^\circ \approx 0,77$; $\sen 30^\circ = 0,5$). La figura representa la medida.

1. a) Escribí la ley de Snell y despejá el índice de refracción del vidrio.
2. b) Calculá su valor.

La luz amarilla del sodio tiene una frecuencia de $5,1 \cdot 10^{14}\ \text{Hz}$ (datos: $c = 3 \cdot 10^{8}\ \text{m/s}$; índice de refracción del agua: $n = 1,33$).

1. a) Calculá la velocidad de propagación de esa luz en el agua.
2. b) Calculá su longitud de onda en el agua y expresala en nanómetros.

La sonda Voyager 1 es el objeto construido por el ser humano más alejado: una señal de radio enviada desde la Tierra tarda $22,5\ \text{h}$ en alcanzarla (dato: $c = 3 \cdot 10^{8}\ \text{m/s}$).

1. a) Expresá el tiempo en segundos y calculá la distancia a la sonda, dando el resultado en notación científica.
2. b) Razoná por qué la comunicación con las sondas espaciales se realiza con ondas electromagnéticas y no con ondas sonoras, aludiendo a la naturaleza de cada tipo de onda.
3. c) Suponiendo, de forma idealizada, que la señal de radio se refleja en la sonda y regresa a la Tierra, el eco de un sonar y esa señal de vuelta son manifestaciones del mismo fenómeno ondulatorio: identificalo y describí en qué consiste.

Un rayo de luz incide desde el aire ($n_{\text{aire}} = 1$) con un ángulo de $45^\circ$ sobre una lámina de vidrio ($n = 1,5$) de caras planas y paralelas (dato: $\sen 45^\circ \approx 0,71$). La figura muestra el rayo al entrar en la lámina.

1. a) Calculá el ángulo de refracción en la primera cara.
2. b) Justificá con geometría que el rayo incide en la segunda cara con ese mismo ángulo, y calculá el ángulo de refracción al salir al aire.
3. c) Concluí cómo es el rayo emergente respecto del incidente y enunciá el principio físico que lo explica (reversibilidad de los caminos ópticos).

Una fibra óptica de vidrio ($n_1 = 1,48$) está rodeada de aire ($n_2 = 1$). La figura muestra un rayo que incide en la pared de la fibra con el ángulo límite.

1. a) Escribí la ley de Snell para un rayo que incide en la superficie de separación vidrio-aire con el ángulo límite, para el cual el ángulo de refracción vale $90^\circ$.
2. b) Calculá el ángulo límite de la fibra.

Un buzo dirige su linterna hacia la superficie del agua ($n_{\text{agua}} = 1,33$; $n_{\text{aire}} = 1$) con un ángulo de $50^\circ$ respecto a la vertical. El esquema representa la situación.

1. a) Calculá el ángulo límite para el paso del agua al aire.
2. b) Razoná si el haz de la linterna saldrá al aire o sufrirá reflexión total, comparando el ángulo de incidencia con el ángulo límite.

Una fibra óptica tiene un núcleo de índice $n_1 = 1,50$ y un revestimiento de índice $n_2 = 1,47$. El esquema muestra un tramo de fibra con un rayo guiado.

1. a) Calculá el ángulo límite en la superficie de separación núcleo-revestimiento.
2. b) Explicá por qué la luz se propaga por el núcleo sin escapar, incidiendo en sus paredes con ángulos superiores a ese límite.
3. c) Si el núcleo estuviera en contacto directo con el aire ($n = 1$), calculá el nuevo ángulo límite y comentá la ventaja práctica que aporta el revestimiento.

Un foco sumergido a $2\ \text{m}$ de profundidad en una pileta ($n_{\text{agua}} = 1,33$; $n_{\text{aire}} = 1$) emite luz en todas direcciones (dato: la tangente del ángulo límite agua-aire vale aproximadamente $1,14$). El esquema muestra la geometría de la situación.

1. a) Calculá el ángulo límite para el paso del agua al aire.
2. b) Los rayos que llegan a la superficie con ángulos menores que el límite salen al aire y los que llegan con ángulos mayores sufren reflexión total: razoná que la luz emerge formando un círculo luminoso sobre la vertical del foco.
3. c) Calculá el radio de ese círculo.
4. d) Una persona en un bote observa la superficie lejos de la vertical del foco: razoná si podrá ver el foco directamente y qué aspecto tendrá la superficie fuera del círculo luminoso.

Desde el pasillo se oye la televisión del living aunque no se vea la pantalla. El plano de la vivienda esquematiza la situación.

1. a) ¿Qué fenómeno ondulatorio permite que el sonido «doble la esquina»?
2. b) Razoná, comparando el ancho de la puerta con las longitudes de onda típicas del sonido (del orden de $1\ \text{m}$) y de la luz (del orden de $5 \cdot 10^{-7}\ \text{m}$), por qué el sonido se difracta apreciablemente en la puerta y la luz no.

Un router hogareño emite su señal wifi en la banda de $2,4\ \text{GHz}$ (dato: $c = 3 \cdot 10^{8}\ \text{m/s}$).

1. a) Calculá la longitud de onda de la señal y expresala en centímetros.
2. b) Comparala con el ancho de una puerta ($0,8\ \text{m}$) y razoná, nombrando el fenómeno ondulatorio responsable, por qué hay cobertura en la habitación contigua aunque no exista línea de vista directa con el router.

Un oleaje de longitud de onda $8\ \text{m}$ y velocidad $4\ \text{m/s}$ llega a la bocana de un puerto, una abertura de $10\ \text{m}$ entre dos espigones. La figura muestra la bocana vista desde arriba, con los frentes de ola que llegan.

1. a) Calculá el período y la frecuencia del oleaje.
2. b) Razoná, comparando la abertura con la longitud de onda, si el oleaje se difractará al entrar y cómo afectará a las barcas fondeadas detrás de los espigones.
3. c) ¿Cambiaría la situación si la abertura fuese de $100\ \text{m}$? Justificalo.

Un router emite en dos bandas de frecuencia: $2,4\ \text{GHz}$ y $5\ \text{GHz}$ (dato: $c = 3 \cdot 10^{8}\ \text{m/s}$).

1. a) Calculá la longitud de onda de cada banda, en centímetros.
2. b) Razoná, a partir del fenómeno de la difracción, qué banda rodea mejor los obstáculos domésticos (puertas, muebles) y, considerando también la absorción en los materiales, cuál atraviesa mejor las paredes.
3. c) Los fabricantes recomiendan usar la banda de $5\ \text{GHz}$ solo cerca del router, aunque permite mayor velocidad de datos: relacionalo con lo calculado en los apartados anteriores.