MÓDULO 5. LA IMPORTANCIA DE DIFERENCIAR LA TERMODINAMICA DE LOS TIPOS Y CLASES DE ONDAS
Elaborado por:
John Freddy Puerto Suspes
Mg. En Ciencias Física
COLEGIO OEA I.E.D
ÁREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL
ASIGNATURA: FÍSICA GRADO: UNDÉCIMO
MÓDULO 5. LA IMPORTANCIA DE DIFERENCIAR LA TERMODINAMICA DE LOS TIPOS Y CLASES DE ONDAS
PRESENTACIÓN.
El módulo se organizó como se muestra en el siguiente esquema.
MÓDULO 1
FASES
Actividad generadora de interés
Afectiva
Cognitiva
ACTIVIDADES
Presentación
La importancia de aplicar lo que se trabaja en clase
Introducción
Expresiva
INTRODUCCIÓN
Teniendo en cuenta los cambios que se han venido presentando en el mundo en lo científico como en lo natural hace que el estudio y el aprendizaje de la física siendo esta una de las ramas de las Ciencias Naturales y la encargada del estudio de fenómenos naturales, sea vista en la escuela como una de las asignaturas que le permiten al estudiante indagarse, buscar dar explicaciones a las diversas situaciones o fenómenos desde una perspectiva crítica y analítica, siendo el estudiante el actor fundamental en la construcción de explicaciones.
OBJETIVOS.
GENERALES.
Argumentar con claridad las diferentes leyes de la termodinámica y con base en ellas explicar el uso inadecuado de los términos frío y calor.
Identificar aquellos fenómenos en los que existe un movimiento oscilatorio incluso sistemas que presentan fuerzas recuperadoras o de restitución, de esta manera poder clasificar las ondas según su tipo y clase de acuerdo a sus características.
Argumentar con claridad las diferentes leyes de la termodinámica y con base en ellas explicar el uso inadecuado de los términos frío y calor.
ESPECIFÍCOS
Generar interés y curiosidad por los conceptos temperatura, calor, frío y como estos no son bien utilizados.
Identificar las características de un movimiento oscilatorio.
Identificar cuando un sistema es armónico simple.
Identificar las características de una onda.
Clasificar las ondas según su tipo y clase.
Analizar y dar sus propias conclusiones frente a los diferentes resultados obtenidos en el desarrollo de los laboratorios propuestos.
Fortalecer los valores de responsabilidad y respeto en los estudiantes.
DESARROLLO DE LAS FASES DEL MÓDULO
Actividad 1.Presentación
Intencionalidad: Generar interés y curiosidad frente a la forma cómo se percibe e interpreta las características de una onda.
Descripción: Esta primera parte se divide en:
Temas o Saberes: Aquí se presenta los temas que se trabajaran durante el periodo.
Temperatura y escalas.
Calor.
Leyes de la termodinámica.
Movimiento oscilatorio.
Movimiento Armónico Simple (M.A.S)
Ondas.
Acústica
Efecto Doppler.
Ondas Estacionarias.
El Oído.
Ondas sísmicas.
Logro: Es lo que el estudiante deberá alcanzar al finalizar el periodo académico.
ANALIZA Y EXPLICA EL COMPORTAMIENTO DE SISTEMAS SOMETIDOS A PROCESOS TERMODINÁMICOS EN TÉRMINOS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA (ENERGÍA INTERNA, TRABAJO Y CALOR) Y DESCRIBE LA RELACIÓN ENTRE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y EL DESORDEN AL QUE TIENEN LOS SISTEMAS.
DESCRIBE EL COMPORTAMIENTO DE LAS ONDAS EN TÉRMINOS DE SU LONGITUD DE ONDA, FRECUENCIA Y VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN.
El Problema: En esta parte se plantea una situación relacionada con lo propuesto para el periodo, el estudiante al finalizar el periodo deberá dar respuesta a esta pregunta o problema propuesto, utilizando un lenguaje científico.
A resolver el problema: Con la ayuda de textos, la internet y las explicaciones y/o aclaraciones en clases durante este período, tendrás que resolver el siguiente problema.
PROBLEMA.
Escuchar los sonidos que nos rodean forma parte de nuestra cotidianidad; algunos de ellos son agradables, como los emitidos por una flauta, el cantar de un pájaro o las olas del mar; otros desagradables como el producido por un avión, el de un taladro, los cuales clasificamos como agudos o graves, intensos o suaves. Sin embargo, ¿conocemos como se producen estos sonidos?, ¿cómo estimula nuestro oído para finalmente escuchar?, ¿por qué podemos diferenciar en un concierto los sonidos emitidos por cada uno de los instrumentos? Su misión querido estudiante si decide aceptarla es elaborar una animación que dé respuesta a las preguntas anteriormente formuladas.
Aportes del Tema a la Solución del Problema: Se presenta un mínimo de conceptos matemáticos y físicos que el estudiante debe tener para un desarrollo óptimo de la unidad y del periodo.
Realizar operaciones básicas.
Solución de regla de tres simple, compuesta.
Concepto de función y grafica de una función.
Solucionar ecuaciones o sistemas de ecuaciones lineales.
Los temas vistos en grado décimo.
Estar dispuesto a investigar.
Actitud por conocer.
Actividad 2. La importancia de aplicar lo que se trabaja en clase
Intencionalidad: Identificar la importancia de la física como una de las ramas de las ciencias naturales, que dan explicación de los diferentes fenómenos o eventos que ocurren en la naturaleza y como su estudio aporta en el proyecto de vida de los estudiantes.
Descripción: Para el desarrollo de esta actividad los estudiantes deben dar cuenta de cómo los diferentes conceptos físicos o temas vistos en el periodo aportan a su formación como persona y fortalece los valores de Respeto, responsabilidades inculcadas en casa como en la institución a través de un escrito de mínimo página y media.
Actividad Complementaria: Los estudiantes realizaran una primera lectura del módulo a trabajar, con la finalidad de iniciar su primer acercamiento a los temas a trabajar en el periodo.
Actividad 3. Introducción
Intencionalidad: Presentar al estudiante OEISTA una breve información teórica concerniente a los temas que se trabajaran durante el desarrollo de las guías de trabajo o el periodo,
Descripción: En esta parte se presenta una breve contextualización de los temas a trabajar, la cual debe ser ampliada por los estudiantes de acuerdo a sus consultas bibliográficas.
El estudio de la física le ha permitido al hombre poder dar explicaciones a fenómenos naturales con el pasar de la historia como por ejemplo explicar cómo está organizado nuestro sistema solar, a los ingenieros les permite realizar estudios para determinar las fuerzas y cómo estas se deben aplicar para la construcción de diferentes edificaciones o puentes.
En el caso particular cuando somos estudiantes de media no le encontramos dicha relación ya sea porque desconocemos, no nos gusta, estudiantes de grados superiores nos dicen que es la asignatura “coco” que el maestro es de mal genio en fin pero la verdad de todo es que cuando tenemos en cuenta los conceptos que allí se trabajan y los aplicamos es genial, de ahí la importancia de que lo estudiemos en la vida independiente de que nos guste o no debemos buscar cómo está la aplico en el diario vivir.
FASE 2. Afectiva
Muchas veces nos encontramos con objetos como un resorte, un lazo u otros elementos elásticos, observamos que cuando se les aplica una fuerza estos experimentan una elongación, muchos de ellos presentan un movimiento de ida y vuelta durante un tiempo, entonces nos preguntamos ¿por qué no siguen moviéndose?, como por ejemplo cuando le colocamos a un resorte una masa en uno de sus extremos y lo colocamos a oscilar, ésta oscilación dura un tiempo y luego el sistema se queda en reposo, al igual que sucede con un péndulo sería bueno preguntarse ¿qué condiciones se debería tener en cuenta para que este tipo de sucesos ocurrieran por más tiempo?; pero es más interesante saber cómo estos movimientos son relacionados con el lanzamiento de una roca en un lago y lo que se observa, pues a eso lo llaman onda. El concepto de onda es un poco abstracto, cuando observamos lo que llamamos una onda en el agua, lo que vemos es un reacomodo de la superficie del agua. Las ondas sonoras viajan a través del aire como resultado de las variaciones de presión de punto a punto. En estos casos, lo que interpretamos como una onda es una perturbación de un cuerpo o de un medio. Por lo tanto podemos considerar que una onda es el movimiento de una perturbación.
La energía se puede transferir de un lugar a otro por diversos medios. Al golpear un clavo, la energía cinética del martillo se convierte en trabajo útil sobre el clavo. Incluso la conducción de calor y la electricidad implica el movimiento de partículas elementales llamadas electrones. A la propagación de la energía por medio de una perturbación en un medio, y no por el movimiento del medio mismo, se llama movimiento ondulatorio.
Las ondas mecánicas que analizaremos en esta primera parte requieren de: alguna fuente que produzca la perturbación; un medio que se pueda perturbar. Encontrando que todas las ondas transportan energía.
Las ondas sonoras viajan a través del aire como resultado de las variaciones de presión de punto a punto, son ondas de clase mecánica y de tipo longitudinal, es decir, primero necesitan de un medio en el que se puedan propagar y la dirección de la perturbación es el mismo de la propagación de la onda. Se producen por la perturbación de un medio material elástico como nuestras cuerdas vocales, al tocar un instrumento musical de cuerda o de viento. La frecuencia de vibración es igual a la frecuencia de la onda sonora que se produce.
Todos escuchamos sonidos a cierta distancia, como por ejemplo cuando se acerca o aleja una ambulancia o patrulla. Debido a la frecuencia emitida por la fuente percibimos más o menos frentes de ondas por unidad de tiempo a este fenómeno se le conoce como Efecto Doppler “La frecuencia del sonido percibido es diferente a la del sonido emitido
debido al movimiento de la fuente con respecto al observador”
Actividad Complementaria: Los estudiantes deben preparar con anterioridad sus actividades con la finalidad de que si hay inquietudes, dudas, preguntas, estas sean aclaradas antes de continuar con dichas actividades.
Actividad 4. La importancia de conocer y explicar
Intencionalidad: Presentar las diferentes competencias de las Ciencias Naturales, como son: Identificar, Indagar, Explicar.
Descripción: Para el desarrollo de esta actividad se tendrá en cuenta las siguientes etapas:
1. Nivel Cognitivo: Se presentan una serie de preguntas y/o actividades que el estudiante deberá dar respuesta durante el periodo dando cuenta de lo aprendido.
Deben realizar la lectura Del Hipertexto 2 parte 1 de Santillana:
Unidad 1. Oscilaciones. Temas 1. Movimiento Amónico Simple (M.A.S); Tema 2. La energía en los sistemas oscilantes.
Unidad 2. Las Ondas. Tema 1. Propagación de las Ondas; Tema 2. Fenómenos Ondulatorios;
Unidad 3. Acústica. Tema 1. El sonido; Tema 2. Sistemas Resonantes.
La lectura del texto citado anteriormente es para complementar lo visto en clase.
2. Nivel Procedimental: En esta parte los estudiantes realizaran una serie de actividades como laboratorios, tareas, lecturas que aportan al desarrollo del aprendizaje y el logro propuesto para el periodo o unidad.
Elaborar un péndulo y una guía de laboratorio.
Desarrollar el laboratorio propuesto en la página 92 del Hipertexto 2 parte 1 de Santillana. Realizar
Desarrollar el laboratorio ¿QUÉ ES UN M.A.S?
FASE 4. Expresiva
3. Nivel Comunicativo: En esta parte el estudiante empezará a dar cuenta del desarrollo cognitivo explicando con un lenguaje adecuado lo realizado durante el periodo.
Sustentar los laboratorios realizados.
Sustentar el péndulo.
4. Nivel Actitudinal: Aquí los estudiantes darán cuenta de los valores dados en casa y en el colegio y como los temas tratados responden a mejorar la convivencia de la institución. Este nivel se homologa con lo realizado en fase afectiva.
5. Nivel evaluativo: En esta parte se le presenta al estudiante una serie de preguntas y/o ejercicios que dan cuenta de lo aprendido en clase durante el periodo y que le permitirá estudiar para la evaluación final del periodo, la solución de estos será durante la clase, en casa, para esto es importante que los estudiantes preparen sus actividades con antelación.
1. ¿Cuáles son los elementos de un movimiento oscilatorio? Explique cada uno. 2. Enuncie las propiedades de una partícula que se mueve con M.A.S.
3. ¿Cuáles son las características de las ondas? Explique cada una.
4. Defina con sus propias palabras: elongación, ciclo, oscilación, velocidad de una onda.
5. ¿Qué son ondas longitudinales y transversales?
6. ¿Cuál es la relación entre amplitud de una onda y la energía que transporta? 7. Determina cuales de las siguientes expresiones son verdaderas. Justifica.
a. Todo movimiento armónico simple es periódico. b. La máxima elongación es la amplitud.
c. En un movimiento oscilatorio la frecuencia es inversamente proporcional al periodo.
d. La aceleración de un cuerpo con M.A.S es proporcional a la elongación. e. El periodo de oscilación de un objeto atado a un resorte es directamente
proporcional a su masa. 8.
Si un cuerpo de masa m tiene un M.A.S. entre x = -A y x = A, como se observa en la figura se cumple que el punto x = 0:
A. Su velocidad es máxima. D. Existe una máxima fuerza sobre el. B. Es máxima su elongación. E. Es máxima su energía potencial. C. Su aceleración es máxima.
Explique su respuesta.
9. ¿Por qué la energía cinética y potencial de un sistema masa – resorte es positiva? 10. Es en algún momento cero la aceleración de un oscilador armónico simple. Si es así
11. ¿cómo podría duplicar la velocidad máxima de un oscilador armónico simple? 12. Si usted duplicara la amplitud de un M.A.S. ¿cómo cambiaría la frecuencia,
velocidad máxima, la aceleración máxima y la energía total mecánica?
13. Un cuerpo oscila con un movimiento armónico simple a lo largo del eje x su desplazamiento varía con el tiempo de acuerdo con la ecuación.
) 4 cos( ) 0 . 4 (
m t
x
Donde t es en segundos y los ángulos en el paréntesis en radianes. Hallar:
A. Amplitud. D. velocidad para t = 1s B. Frecuencia E. aceleración para t = 1s C. Periodo. F. posición en t = 1s.
14. ¿Es movimiento armónico simple el que sigue el pistón de un motor a gasolina? explique.
15. Un péndulo simple está suspendido del techo de un ascensor estacionado y se calcula su periodo de oscilación. Describa los cambios, si los hay, en el periodo cuando el ascensor (a) acelera hacia arriba, (b) acelera hacia abajo y (c) se mueve con rapidez constante.
16. Si una partícula está en movimiento armónico simple con amplitud 0.15m, ¿Cuál es la distancia total que viaja en un periodo?
17. Una masa de 200g oscila sobre una superficie horizontal sin fricción con una frecuencia de 3.5Hz, y con una amplitud de 4.5cm. (a)¿Cuál es la constante de resorte efectiva para este movimiento? (b) ¿Cuánta energía está implicada en el movimiento?
18. Un resorte que tiene una masa fija a un extremo se comprime una distancia x0 con
respecto a su posición de equilibrio, y luego se suelta, ¿a que distancia del punto de equilibrio tendrá la masa (a) una velocidad igual a la mitad de su velocidad máxima y (b) una aceleración igual a la mitad de su aceleración máxima?
19. Una caja de 3000g se desliza a una velocidad de 5 m/s y llega a un resorte cuya constante elástica es de 75 N/m. ¿Qué distancia se comprime el resorte? ¿Cuánto tiempo dura en contacto caja y resorte hasta que la caja es impulsada nuevamente por el resorte?
20. Una masa m vibra en el extremo de un resorte con una frecuencia de 0.88Hz. Cuando se agrega otra masa de 600g a m, la frecuencia es de 0.60Hz. ¿Cuál es el valor de m?
21. Una mosca pequeña, cuya masa es de 0.70g, queda atrapada en una telaraña. La telaraña vibra principalmente con una frecuencia de 8.0Hz. (a) ¿Cuál es el valor de la constante efectiva de resorte K de la telaraña? (b) ¿A qué frecuencia se debe esperar que vibre la telaraña si quedara atrapado en ella un insecto de 0.50g de masa?
22. Una masa de 0.70Kg vibra de acuerdo con la ecuación x t 0.45cos 8.40
t
, en la que x está en metros y t en segundos. Determine (a) la amplitud, (b) la frecuencia, (c) la energía total y (d) las energías cinética y potencial cuando x = 0.30m.periodo, (d) la energía total y (e) las energías cinética y potencial cuando x = 10cm
24. Un péndulo oscila con 30º de amplitud. ¿Qué fracción de tiempo transcurre entre 15º y -15º. (considera el movimiento como armónico simple)?
25. ¿Por qué factor disminuye el período de oscilación de un péndulo de 20cm si su longitud se reduce a la mitad?
26. Una persona puede captar frecuencias hasta de 20000Hz. ¿Cuál longitud de onda corresponde a esta frecuencia cuando el sonido se propaga por el aire?
27. ¿En cuánto aumenta la velocidad del sonido si la temperatura del medio cambia de20 a 45ºC?
28. ¿Cuál es el nivel de intensidad de un sonido cuya intensidad es de 2 6
2.0 10 W m
x ? 29. En la esquina de una calle con tránsito intenso, el nivel del sonido es de 70dB. ¿Cuál
es la intensidad del sonido en ese lugar?
30. El nivel del sonido medido a 30m de un jet es de 140dB. ¿Cuál es el nivel de sonido a 300m? (Ignore las reflexiones en el suelo)
31. Calcule el desplazamiento de las moléculas del aire para un sonido que tiene una frecuencia de 1000Hz en el umbral de audición. (tome la intensidad del aire de 1,29Kg/m3 y la rapidez del sonido en el aire como 343m/s).
32. La frecuencia que predomina en la sirena de un automóvil de policía tiene 1600Hz en reposo. Cuál es la frecuencia que se detecta si el automóvil (a) se mueve a 25 m/s hacia el observador. Y (b) se aleja de él a la misma velocidad.
33. Dos ondas estacionarias que viajan en direcciones opuestas producen una onda estacionaria. Las funciones de onda individuales son:
1
2
(4
)
(3
2 )
(4
)
(3
2 )
y
cm sen x
t
y
cm sen x
t
Donde x y y están dadas en centímetros y t en segundos. (a) calcule el máximo desplazamiento de una partícula del medio en la posición x = 2,3cm, (b) encuentre las posiciones de los nodos y antinodos.
34. La cuerda Do mayor en un piano tiene una frecuencia fundamental de 262Hz, mientras que la nota La tiene una frecuencia fundamental de 440Hz. (a) calcular las frecuencias de los siguientes dos armónicos de la cuerda Do, (b) Suponiendo que las cuerdas para las notas La y Do tienen la misma masa por unidad de longitud, determine la razón entre las tensiones de las dos cuerdas, (c) En un piano real, la suposición que se ha hecho en el inciso b, es cierta sólo en parte. Las densidades de las cuerdas son iguales, pero la longitud de la cuerda de la nota La es sólo l 64% de la longitud de la cuerda de la nota Do. En este caso, ¿cuál es la razón entre sus tensiones?
(c) En el caso del tubo abierto por ambos extremos, ¿cuántos armónicos aparecen en el rango normal de audición del oído humano?
Actividad Complementaria: Los estudiantes deben prepararse para la evaluación final del periodo que es tipo prueba saber con selección múltiple única respuesta y con preguntas abiertas.
BIBLIOGRAFÍA
Marcelo Alonso, Edward J. Finn. Física mecánica Vol. 1. Addison - Wesley Iberoamericana, S.A. 1.999.
Douglas C. Giancoli. Física principios con aplicaciones. Cuarta edición. Prentice - hall Hispanoamericana, S.A. 1.995.
HIPERTEXTO 1 PARTES 1,2, Santillana. Física. 2.011
Raymond A. Serway. John W. Jewett Jr. Física tomos I Y II. Thomson. Tercera edición. 2.004.