INTERFERENCIA Y REFLEXIÓN CON ONDAS DE ULTRASONIDOS. Esta práctica pretende alcanzar dos objetivos fundamentales:

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1 INTERFERENCIA Y REFLEXIÓN CON ONDAS DE ULTRASONIDOS 1.- OBJETIVOS Esta práctica pretende alcanzar dos objetivos fundamentales: a) El manejo de una serie de instrumentos básicos como el osciloscopio y el generador de señales. b) El estudio de características importantes del movimiento ondulatorio como la amplitud, frecuencia y longitud de onda; y de ciertos fenómenos físicos como la reflexión de una onda y la interferencia entre dos ondas. 2.- DESCRIPCIÓN DEL MONTAJE EXPERIMENTAL Figura 1. Dispositivo Experimental a) Osciloscopio. El instrumento de medida utilizado es el osciloscopio. Los osciloscopios que se usarán en las experiencias poseen dos canales (A y B), con una sensibilidad máxima en cada canal de 5 mv/división. Para su conexión a las distintas fuentes de señal se dispone de cables BNC- BNC. (Ver características en hoja adjunta) b) Generador de funciones. El generador de funciones trabaja en un rango de Hz a Mhz y genera tanto señales sinusoidales como cuadradas y triangulares. (Ver características en hoja adjunta) Ultrasonidos 1

2 c) Emisores y Receptores de Ultrasonidos (EUS y RUS). En las experiencias con ultrasonidos (ondas sonoras inaudibles de frecuencia ~ 40 KHz), se usan Emisores de UltraSonidos (EUS) y Receptores de UltraSonidos (RUS). Los EUS se distinguen por presentar un pequeño cuadrado inscrito dentro del círculo. Tanto los EUS como los RUS están colocados sobre unos soportes de plástico y la conexión a los mismos se realiza con los conectores BNC. Hay que resaltar que los EUS tienen una curva de respuesta muy limitada, de modo que la emisión de ultrasonidos solo es óptima en una banda estrecha, siendo FUNDAMENTAL su correcta sintonización. d) Plano de escalas lineales y angulares (ELYA). Los soportes citados anteriormente se dispondrán sobre este plano provisto de Escalas Lineales y Angulares. e) Pantalla. Para la experiencia de reflexión se hará uso de una pantalla plana dispuesta verticalmente. 3.- REALIZACIÓN PRÁCTICA Cálculo de la Frecuencia y Amplitud de una Señal Conecten el osciloscopio girando el mando INTENS (5) hacia la derecha. Sitúen los conmutadores ON/OFF (11) de los canales A y B (17) en ON y los AC/DC (12) en AC. Hagan uso de los controles de posición vertical (2) y de posición horizontal X POSITION (3) para situar la traza de los canales. Cerciórense de que la base de tiempos TIME/DIV (8) y el conmutador µs/ms (7) permiten una traza continua (para ello el conmutador (7) debe estar en la posición de ms): la combinación de los conmutadores (7), (8) y (9) permite seleccionar velocidades de barrido entre 0,5 µs/div y 1 s/div. Conecten la salida BNC del transformador al canal A ó B (17) del osciloscopio y POSTERIORMENTE enchúfenlo a la red. Deberán visualizar en el osciloscopio una señal sinusoidal, señal definida a través de la expresión: siendo: x=asen(ωt+ϕ) (1) x: elongación, distancia entre la posición de la partícula vibrante en cualquier instante y la posición de equilibrio. A: amplitud, valor máximo que puede tomar la elongación. ωt+ϕ: fase, su valor determina el estado de vibración o fase del movimiento. ω: pulsación o frecuencia angular, representa la velocidad angular constante del movimiento (ω=2π/t = 2πν). ϕ: fase inicial, su valor determina el estado de vibración para t=0 T: periodo, tiempo que tarda el movimiento en repetirse, es decir, en realizar una vibración completa. ν: frecuencia, número de vibraciones completas realizadas en un segundo. Ultrasonidos 2

3 Para estabilizar la señal y poder realizar las medidas oportunas deben hacer uso del sincronismo interno (conmutador INT/EXT (15) en INT), seleccionar el conmutador A/B (13) según el canal A/B que se haya conectado y eventualmente girar el selector LEVEL (4), nivel de disparo. Determinen la amplitud y la frecuencia de la señal, realizando las medidas sobre las escalas vertical y horizontal del osciloscopio, teniendo en cuenta el valor usado para los coeficientes de deflexión vertical (AMPL/DIV) (6) y horizontal (TIME/DIV, µs/ms, MAGN x1/x5 (9)). Cada división corresponde a uno de los cuadrados en la pantalla. Para que las medidas sobre la escala horizontal sean correctas, el control giratorio situado a la derecha de la base de tiempos ha de estar en la posición CAL(10), de CALIBRADO. Realizar las medidas para dos valores diferentes de los coeficientes de deflexión vertical y horizontal. Nº de divisiones de pantalla (DIV) Factor de multiplicación (Coeficiente de deflexión vertical AMPL/DIV) Amplitud (V) Nº de divisiones de pantalla (DIV) Factor de multiplicación (Coeficiente de deflexión horizontal TIME/DIV) Periodo (s) Frecuencia (Hz) Al terminar esta parte de la práctica DESCONÉCTESE EL TRANSFORMADOR DE LA RED y retírense las conexiones de los canales A y B del osciloscopio Longitud de Onda Enchufen el generador de funciones y conéctenlo, mediante un adaptador BNC-dobleBNC, a uno de los dos canales del osciloscopio, por un lado, y por el otro a uno de los dos EUS. Seleccionen una frecuencia de 40 KHz En el otro canal del osciloscopio conecten la señal del RUS. EUS y RUS deben estar enfrentados y colocados en el plano ELYA a una distancia de unos cm. Ajustándose adecuadamente los controles del osciloscopio (ahora el conmutador (7) debe estar en µs) se visualizarán dos señales de idéntica frecuencia aunque con distinta amplitud ( la señal del RUS es más débil). Ultrasonidos 3

4 Moviendo el RUS en la escala lineal que le une con el EUS, se verá en el osciloscopio el desplazamiento de una sinusoide respecto a la otra. Midiendo en el ELYA la separación entre los puntos para los cuales una sinusoide se desplaza respecto a la otra un número determinado de periodos completos, se obtendrá una buena estimación de la longitud de onda. Con este valor así obtenido y la frecuencia de la señal, se podrá calcular la velocidad del sonido. Nº Periodos Distancia recorrida (cm) λ (cm) λ (cm) Velocidad del Sonido Comparen este valor con el valor teórico y calculen el error relativo Ley de la Reflexion Coloquen la pantalla centrada sobre la línea 0 en la escala lineal de la ELYA, y sitúen el EUS a una distancia de la pantalla 35 cm y a un ángulo α= 20 o. Coloquen el RUS a la misma distancia, orientado igualmente hacia el origen de coordenadas, en la posición angular opuesta. Desplacen el RUS, a lo largo de la línea angular, acercándolo y alejándolo del EUS y tomen los valores de la amplitud para los ángulos que deseen. Estos valores se representarán gráficamente (A=f(α) y deberán indicar que existe un máximo en la señal recibida para un ángulo justamente igual al de incidencia. Deberá discutirse la validez de la ley de reflexión sopesando las limitaciones del dispositivo experimental utilizado. Ángulo Amplitud Ángulo Amplitud Ultrasonidos 4

5 3.4.- Interferencia. Franjas de Young Figura 2. Franjas de Young Dos fuentes emisoras en fase, separadas una distancia d, originan una interferencia. Esta interferencia será constructiva ó destructiva dependiendo de si la diferencia de camino seguido por cada onda ( =dsenα), es igual a un número par ó impar de semilongitudes de onda, respectivamente: λ 1 nλ sen α máx = (2n) = n = 0,1, 2...MÁXIMOS 2 d d (2) λ 1 sen α mín = (2n + 1) n = 0,1, 2... MÍNIMOS 2 d (con ángulos no excesivamente grandes es posible aplicar la aproximación sen α =α) Se estudiará la interferencia producida por dos EUS emitiendo al unísono (en fase, coherentemente) al estar alimentados por un mismo generador. En el soporte los EUS están separados entre sí una distancia de 5 cm. Conecten los dos EUS al generador de señal, sintonizado previamente a 40 KHz, y coloquen el soporte en el origen de coordenadas del plano ELYA procurando que el punto medio entre los dos EUS coincida con dicho origen. Sitúen el RUS, a unos 35 cm del EUS, orientado hacia el origen de coordenadas y varíen su posición angular abarcando un intervalo de 20 o en ambos sentidos, realizando medidas de la amplitud cada 2 o. Representen gráficamente estas medidas y comparen los resultados con la curva teórica. Ultrasonidos 5

6 Ángulo Amplitud Ángulo Amplitud A partir de la representación gráfica experimental, relacionen la diferencia angular entre dos máximos ó mínimos consecutivos y teniendo en cuenta la expresión (2) calculen el valor de la longitud de onda y comparen su valor con el calculado en el apartado 3.2. Expresen el porcentaje de error entre ambas determinaciones. Ultrasonidos 6