lunes, 22 de febrero de 2021

SOLUCIÓN EXAMEN ÓPTICA Y ONDAS 20-21 2ºBACHILLERATO

 

1.       Se conecta un capacitor sin carga con una celda de 12V y de resistencia interna despreciable. Se conecta también una resistencia “R”. En t=0s se pone el interruptor en posición “A”, en la gráfica siguiente se muestra como varía con el tiempo el potencial del capacitor, que posee 4’5 µF de capacidad. PRUEBA 2 DEL BI - 2016

a) Dibuja sobre la gráfica como varía con el tiempo el potencial en la resistencia.

b) La constante de tiempo del circuito vale 22s. ¿Qué se entiende por constante de tiempo del circuito?

c) Calcula la resistencia R.



) En el momento de hacer la conexión el condensador no tiene carga eléctrica almacenada, y por tanto no hay diferencia de potencial en él. (Recordemos que ΔV=Q/C, si Q=0C, entonces tenemos 0Voltios).

Según va pasando la corriente eléctrica, se va depositando carga eléctrica entre las placas del condensador, y por tanto aumenta la diferencia de potencial en el condensador. Así hasta que llegue el momento en el que esté completamente cargado, instante en el cual dejará de pasar corriente eléctrica a su través. Y como consecuencia tampoco por la resistencia.

En resumen, los 12 voltios de caída de potencial como suma de lo que hay entre resistencia y condensador, en un primer momento aparecen únicamente en la resistencia, luego va disminuyendo según aumenta la caída de potencial en el condensador. Y finalmente, al desaparecer la corriente, la caída de potencial en la resistencia es cero. Siempre la suma de las dos diferencias de potencial debe ser 12Voltios, que es lo que impulsa la batería.

b)      La constante de tiempo de un circuito que mantiene una corriente no estacionaria, es una medida de lo rápido que el circuito alcanza el estado estacionario. En rigor en este caso es cuando t=RC…

c)       … Lo que nos permite calcular la resistencia. R= t/C=22s/45·10-6F)=5·10^5  Ω.

d)      En ese momento da comienzo la descarga del condensador, generando una corriente de descarga que disminuye con el tiempo, porque la energía eléctrica almacenada en el condensador se va disipando por efecto Joule en la resistencia. Al irse descargando, su carga disminuye en el tiempo según la expresión: Q=Q0·e(-t/RC) Siendo Q0 la carga inicial. En cuanto a la energía, como la energía almacenada en el condesador es E=1/2 Q2/C, se puede poner esta en función del tiempo, haciendo la sustitución matemática de turno: E=(1/2C)·Q02·e-2t/RC

 

2.       Sobre un prisma de 20º incide una luz tal como aparece en el dibujo. El índice de refracción de la luz en el interior del prisma es 1.25, y está rodeado de aire. Traza haciendo los cálculos necesarios el recorrido del rayo de luz, y expresa el ángulo de la desviación del rayo respecto a la dirección inicial.


Lo primero será considerar que el rayo, al incidir perpendicularmente a la superficie del prisma, penetra dentro sin desviarse, y entonces se encuentra con una segunda superficie de refringencia que puede provocar una refracción o una reflexión, esto último si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo límite. Calculemos este último:

                               Áng.Lím=arcsen(1/nprisma)=53º

El ángulo de incidencia, se obtiene mediante ángulos complementarios es 70º, por tanto superior al límite y se producirá una reflexión dentro del prisma. Entonces el rayo en su movimiento alcanzará una tercera superficie de refringencia, donde podrá producirse una reflexión o una refracción, de nuevo debemos calcular el ángulo de incidencia y ver si es superior al ángulo límite.


 

                Para averiguar es te ángulo, nos fijamos en el triángulo ABC, la suma de sus ángulos es 180º, uno de ellos vale 90º, y el ángulo A es de 40º. Vale 40º porque es igual al ángulo del prisma (20º), más el ángulo complementario de la reflexión, otros 20º. Por tanto el ángulo C es de 50º, inferior al ángulo límite por muy poco, y se produce una refracción. Calculemos el ángulo de refracción aplicando la Ley de Snell:

                               nprisma·sen(i) =1·sen(r )

                               Sen(r)=1’2·sen(40)=0.919, lo que significa que r=66’8º

3.       Dibuja la marcha de rayos para los dos siguientes casos, buscando la imagen del objeto, y clasificando la imagen.

a.       Objeto a doble focal de lente convergente. Imagen igual, real e invertida. Dibujamos dos rayos, el que pasa por el vértice de la lente, y el que viene paralelo al eje óptico y pasa por el foco imagen.


4.       Junto a un espejo cóncavo de 10 cm de radio se sitúa un objeto de forma que se produce un aumento lateral de -0’75. Calcula la posición de objeto e imagen.  Clasifica la imagen. No hace falta hacer la marcha de rayos.

Hagamos un dibujo, o croquis sobre el ejercicio. Situaremos en posiciones hipotéticas al objeto y a la imagen.


Planteamos las dos ecuaciones para espejos, la de distancias objeto e imagen, y la del aumento lateral. Así tendremos dos ecuaciones con dos incógnitas: s y s’.

1/s’+1/s = 1/f                                y=-s’/s

Despejamos de la segunda s’, y sustituimos en la primera: s’=-y·s

1/(-y·s) + 1/s =1/f

(1-1/y)·1/s =1/f

S=f·(1-1/y)=-5cm(1-1/(-0’75))=-11’67 cm

S’=-y·s=-(-0’75)·(-11’67cm)=-8.75 cm

La imagen está a la izquierda del espejo. Tal como aparece en el dibujo. Por tanto, es una imagen real. Según el valor del aumento lateral, es menor e invertida.

5.       5. Una onda sobre una cuerda responde a la siguiente ecuación:    Ψ(x,t)=5·sen{2π(x/2+t/3)}        En cm.

a)      Calcula o señala las magnitudes siguientes de la onda: amplitud, longitud de onda, k, w, período, frecuencia, velocidad de propagación de la onda.

b)      Para un punto de la cuerda situado a 1 metro del origen de la perturbación, encuentra su ecuación del movimiento.

c)       La cuerda tiene una longitud de 2 metros. Encuentra la ecuación de las ondas estacionarias generadas, y señala el armónico que se forma en esta situación, localizando los nodos y vértices.

Comparamos la ecuación con la teórica: Ψ(x,t)=A·sen{2π(x/λ+t/T)}, por tanto:

A=5 cm,  λ=2m     , T=3s, ν= 0’33Hz, w= 2π/3 rad/s , k= π m-1, c=λν=0.66 m/s

Para un punto a 1 metro de la perturbación debemos tener presente que hasta que no llegue la onda, el objeto no se mueve, eso ocurre cuando t= distancia/c=1/0.66s=1'5 segundos.

Por tanto en ese instante, y=0 cm. La ecuación del MAS de la partícula que da soporte a la onda sería: y(t)=Asen(wt+θ0), considerando fase inicial. y(t)= 5·sen(2π/3 · 1'5 + θ0), que si es planteada en el instante t=1.5 segundos, debe resultar cero.

                               Y(1.5 s)=0=5·sen((2π/3 ·1'5 + θ0)=0

Eso indica que el seno debe dar resultado nulo, por lo que el argumento del seno debería ser 0, o un número entero de veces π, y como la fase del seno sería tras sustituir t=3 segundos…

Π+θ0=0, por tanto, la fase inicial puede ser 0 perfectamente, y entonces y(t)= 5·sen(2π/3 · t) en cm.

a)       La ecuación de las ondas estacionarias sería y(x,t)=5·sen(πx)cos(2π/3 · t), la posición de los nodos vendría dada por xn=n·λ/2. Para n=0,1,2,3. El nodo situado en el extremo final de la cuerda sería de posición 2 metros, por lo que n=2. Al ser lambda 2 metros, ver respuesta (a). Tendríamos pues tres nodos, los dos de los extremos y uno en medio. Sería el primer armónico.

Los vértices estaría situados en xv=(2v+1)λ/4=(2v+1)·0’5m. Con v=0,1,2,…

Estaría situados en x=0.5metros, y en 1’5 metros. Valores de v=0 y v=1 respectivamente.

 

6.       6. Una onda esférica transporta una potencia de energía por valor de 500 Julios por segundo, y su amplitud a 10 metros del foco emisor es de 5 metros.

a.       Calcula la intensidad de la onda a esa distancia.

b.      Calcula el valor de la amplitud cuando la distancia al foco se haga 8 veces mayor.

Al ser ondas esféricas, el frente de onda es una esfera de radio R, sobre el que se reparte la energía de la onda. Como sabemos la potencia, 500J/s, podemos calcular la intensidad dividiendo por la superficie de la esfera del frente de ondas. En este caso R=10 metros.

I=Pot/(4πR2)=500 (J/s) /  (4π·100m2)=0.40 Wat·m-2

Sabemos que la amplitud es inversamente proporcional a la distancia a la Fuente emisora. Así pues, para las dos situaciones 1 y 2, correspondientes a 10 y 80 metros:

                                A1/A2=R2/R1       Despejamos A2

                A2=A1·(R1/R2)= 5m·(10m/80m)=0.625m

 

7.      7. Dos ondas parten de dos focos coherentes situados en los puntos de coordenadas (0,0) y (20,0) en unidades del SI. Ambas ondas tienen la misma longitud de onda, λ=5m. Encuentra los puntos situados en la recta de unión entre ambos focos en los que se producen los máximos de interferencias. PISTA: Haz un dibujo y marca las distancias al máximo de cada foco.

Hacemos un croquis de la situación, y marcamos un punto situado en medio que haga las veces de punto de máximo de interferencias a modo hipotético, y que nos permita marcar las distancias a los focos identificadas como “x” e “y”


Para que en ese punto haya un máximo X-Y=n·λ, siendo n=0, 1, 2, …. Etc. Además conocemos que X+Y=20 metros. Ya tenemos dos ecuaciones con dos incógnitas.

           Primer máximo, n=0: X-Y=0, X+Y=20, solución del sistema X=Y=10m

           Segundo máximo n=1: X-Y=λ,  X+Y=20, solución del sistema X=12’5m Y= 7’5 metros.

           Tercer máximo n=2: X-Y=2λ,  X+Y=20, solución de sistema X=15 m, Y=5 metros,

           Cuarto máximo n=3: X-Y=3λ, X+Y=20, solución del sistema X=17’5m, Y=2’5 metros.

           Quinto máximo n=4: X-Y=4λ, X+Y=20, solución del sistema X=20m, Y=0metros.

 

Además por la simetría del problema, habrá los mismos puntos pero en proximidad a F1:

                X=0m Y=20m; X=2’5m Y=17’5m; X=5 m Y=15m; X=7’5 m Y=12,5m

No hay comentarios:

Publicar un comentario