Ejercicios: Fenómenos 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) Explica 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, calcula 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) Enuncia las dos leyes de la reflexión.
2. b) Determina 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 ha experimentado el rayo? Defínelo.
2. b) Indica 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). Justifica 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) Escribe la ley de Snell de la refracción y sustituye en ella los datos del enunciado, dejando $\sen r$ como incógnita.
2. b) Calcula 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) Calcula la profundidad del fondo, recordando que el pulso hace un recorrido de ida y vuelta.
2. b) Calcula la longitud de onda del pulso en el agua y exprésala 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) Escribe la ley de Snell y despeja el índice de refracción del vidrio.
2. b) Calcula 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) Calcula la velocidad de propagación de esa luz en el agua.
2. b) Calcula su longitud de onda en el agua y exprésala en nanómetros.

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) Escribe 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) Calcula 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) Calcula el ángulo límite para el paso del agua al aire.
2. b) Razona si el haz de la linterna saldrá al aire o sufrirá reflexión total, comparando el ángulo de incidencia con el ángulo límite.

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) Expresa el tiempo en segundos y calcula la distancia a la sonda, dando el resultado en notación científica.
2. b) Razona 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: identifícalo y describe 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) Calcula el ángulo de refracción en la primera cara.
2. b) Justifica con geometría que el rayo incide en la segunda cara con ese mismo ángulo, y calcula el ángulo de refracción al salir al aire.
3. c) Concluye cómo es el rayo emergente respecto al incidente y enuncia el principio físico que lo explica (reversibilidad de los caminos ópticos).

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) Calcula el ángulo límite en la superficie de separación núcleo-revestimiento.
2. b) Explica 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 ($n = 1$), calcula el nuevo ángulo límite y comenta la ventaja práctica que aporta el revestimiento.

Un foco sumergido a $2\ \text{m}$ de profundidad en una piscina ($n_{\text{agua}} = 1,33$; $n_{\text{aire}} = 1$) 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) Calcula 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: razona que la luz emerge formando un círculo luminoso sobre la vertical del foco.
3. c) Calcula el radio de ese círculo.
4. d) Una persona en una barca observa la superficie lejos de la vertical del foco: razona si podrá ver el foco directamente y qué aspecto tendrá la superficie fuera del círculo luminoso.