Guía para el docente El Sonido Ondas y Sonido. Guía para el docente

Transcripción

1 Guía para el docente Descripción curricular: - Nivel: 1º Medio - Subsector: Ciencias físicas - Unidad temática: El sonido - Palabras clave: sonido, ondas, resonancia, frecuencia, longitud de onda, efecto Doppler, transmisión del sonido. - Contenidos curriculares: El sonido - La cuerda vibrante. Relación entre longitud y tensión con su frecuencia. Resonancia. - Distinción entre ondas longitudinales y transversales, ondas estacionarias y ondas viajeras. Longitud de onda y su relación con la frecuencia y velocidad de propagación. Reconocimiento del efecto Doppler en situaciones de la vida diaria. Su explicación cualitativa en términos de la propagación de ondas. - Contenidos relacionados: - 1º Medio: El sonido: Vibración y sonido Ondas y sonido. La luz: Propagación de la luz Naturaleza de la luz. - 2º Medio: El movimiento: Descripción del movimiento El calor: Materiales y calor. - 3º Medio: Mecánica: Movimiento circular. - 4º Medio: Electricidad y magnetismo: Ondas electromagnéticas. Mundo atómico: El átomo. - Aprendizajes esperados: - reconocen que el comportamiento de objetos muy diversos (cuerdas, láminas, aire en cavidades, los diferentes instrumentos musicales) puede tener un origen común (la vibración); - manejan magnitudes básicas utilizando relaciones matemáticas elementales para obtener, ya sea sus órdenes de magnitud en determinadas circunstancias, o sus valores exactos (por ejemplo, relación entre velocidad, frecuencia y longitud de onda); - relacionan conocimientos abstractos con el comportamiento de objetos (por ejemplo, parlantes o instrumentos musicales). Aprendizajes esperados de esta actividad: - Identificar los elementos que caracterizan una onda. - Comprender e identificar el fenómeno de resonancia del sonido. - Conocer otros fenómenos asociados a las ondas acústicas. 1

2 Recursos digitales asociados: - Ficha Temática: Ondas y sonido - Animación: Características de una onda - Video: Resonancia. - Juego: Quién sabe más? de ondas y sonidos - Diapositivas digitales: Ondas y sonido, Vibraciones y sonido. Actividades propuestas para este tema: En este documento encontrará dos actividades vinculadas al video Resonancia el que explica el fenómeno de resonancia por medio de péndulos. - Actividad, Cómo caracterizamos una onda?: pretende que los estudiantes comprendan los elementos de una onda (longitud de onda, frecuencia, periodo, amplitud) y algunos fenómenos característicos del sonido (efecto Doppler, reflexión del sonido, transmisión del sonido, eco y reverberación). - Actividad, Qué es resonancia?: se enfoca a la comprensión del fenómeno de resonancia mediante la observación del video. A continuación encontrarás los contenidos que tratan estas actividades y sugerencias sobre cómo desarrollarlas con tus estudiantes. 2

3 ACTIVIDAD: Qué es la resonancia? 1. Introducción Por ejemplo Resonancia Transmisión de la energía de una onda desde un objeto que se encuentra vibrando hacia un objeto que no lo está Cantantes de ópera capaces de romper copas de cristal Caída de puentes cuando soldados marchan sobre ellos Su explicación se basa en el supuesto de que cada objeto posee una frecuencia natural de vibración. Si cerca de él hay otro que posee la misma frecuencia natural, también empezará a vibrar. 2. Desarrollo de la actividad Qué es resonancia? Paso 1 Esta actividad se basa en el video Resonancia, y su objetivo es que los estudiantes comprendan y analicen este fenómeno. Sugerimos comenzar la actividad preguntando a sus estudiantes: - Es posible que comience a vibrar la cuerda de una guitarra por efecto de la vibración de una cuerda de otra guitarra? Indique que ambas guitarras tienen similares características y se encuentran cercanas. Dé un espacio para que los estudiantes respondan libremente lo que piensan y expliquen sus razones. No inhiba a los que den respuestas alejadas de la realidad. Anote en la pizarra todas las ideas para que, después de ver el video seleccionado para esta actividad, revisen las respuestas dadas y lleguen a conclusiones. Paso 2 Prepárese para ver junto con sus alumnos el video Resonancia, y pídales que se fijen especialmente en lo siguiente: - Cuando el conductor indica de qué trata el video (resonancia). - Cuando el conductor une los péndulos y destaca que deben estar separados por la misma distancia, pero en forma desordenada. - Cuando el conductor hace oscilar uno de los péndulos. Además, le sugerimos que destaque el momento cuando se comienzan a mover los demás péndulos. 3

4 Paso 3 Entregue a sus estudiantes la actividad propuesta para este tema o léanla en línea. Una vez que hayan leído esta actividad, sus estudiantes deben disponer de la bibliografía adecuada para poder responder las siguientes preguntas. Pueden encontrar las respuestas en el portal educarchile, en otro medio como Internet o en una biblioteca. Las preguntas pretenden que sus estudiantes describan el fenómeno que observaron en el video y luego encuentren una explicación de este hecho. Sugerimos realizar las preguntas de descripción a voz alzada para motivar una discusión dirigida a encontrar una explicación de lo observado. Las respuestas a las preguntas se encuentran a continuación. 1. Al hacer oscilar uno de los péndulos, qué ocurre con los demás péndulos unidos a la misma cuerda? Comienzan a oscilar de la misma forma que este. 2. Por qué ocurre este fenómeno? Esto se debe al fenómeno de resonancia que experimentan ondas y vibraciones. En este fenómeno se transmite una vibración hacia otro cuerpo, el que comienza a oscilar o a vibrar con la misma frecuencia de vibración. 3. Qué es la resonancia? La resonancia es el fenómeno en que se transmite la energía de una vibración u oscilación a otro cuerpo que tiene la misma frecuencia natural de vibración. Si comienza a vibrar un objeto y cerca de él hay otro con la misma frecuencia natural de vibración, este comenzará a vibrar. 4. Es posible que un cantante de ópera sea capaz de romper una copa de cristal? Un cantante de ópera produce vibraciones de sus cuerdas vocales al cantar, las que se caracterizan por poseer cierta frecuencia característica de la ópera. Estas vibraciones se transmiten por el aire hasta que son absorbidas por algún objeto. Si este objeto tiene la misma frecuencia natural de vibración, entonces comenzará a vibrar. En otras palabras, si una copa de cristal o de cualquier material tiene la misma frecuencia natural de vibración que un cantante de ópera, la copa comenzará a vibrar y se quebrará. 5. Busca ejemplos de otro fenómeno cuya explicación sea la resonancia de vibración de una onda. Si hacemos sonar una determinada nota en un piano y acercamos un diapasón, cuya frecuencia natural es la misma de la nota emitida por el piano, cada oscilación generada por el piano provocará un suave y rítmico empuje del aire, produciendo ondas que llegan a poner en movimiento al diapasón a causa de la resonancia. 4

5 Otro ejemplo de este fenómeno es la vibración que se produce en los edificios cuando hay un terremoto (que son vibraciones de las capas subterráneas de la Tierra). Si las vibraciones naturales, que tienen frecuencias características, coinciden con las de un edificio, este comenzará también a oscilar. Paso 4 Para finalizar la actividad, haga nuevamente la pregunta que realizó al inicio. - Es posible que vibre la cuerda de una guitarra por efecto de la vibración de la cuerda de otra guitarra? Compruebe que sus estudiantes han entendido el concepto de vibración y resonancia. Sugerimos que motive a los estudiantes a realizar el juego Quién sabe más, vinculado a esta actividad a modo de autoevaluación. Del mismo modo pueden utilizar las presentaciones digitales disponibles para este tema. 5

6 ACTIVIDAD: Cómo caracterizamos una onda? 1. Mapas de contenidos tratados Características de las Ondas Amplitud (A) Velocidad de propagación (V) Longitud de onda (λ) Frecuencia (F) Fenómenos de las ondas Transmisión del sonido Resonancia Reflexión y absorción Efecto Dopler Pulsaciones 2. Desarrollo de la actividad Cómo caracterizamos una onda? Paso 1 Esta actividad la hemos vinculado a un video sobre el fenómeno de resonancia. Su objetivo es que los estudiantes comprendan cómo a partir de este tipo de fenómenos se puede caracterizar una onda. Sugerimos comenzar la actividad, preguntado: - Todas las ondas que conocemos son iguales? Por ejemplo, las olas del mar, las ondas acústicas como la voz, el sonido de una guitarra, piano o violín, se parecen entre sí. Cada uno de estos instrumentos emite un sonido que tiene diferentes características que permiten identificarlos en forma única. Indique a sus estudiantes cuáles son estas características: - Amplitud - Longitud de onda 6

7 - Frecuencia de vibración - Velocidad de propagación Pídales que investiguen sobre ellas y luego, en conjunto, conversen sobre las diferencias entre cada tipo de características. Paso 2 Entregue la guía con la actividad que proponemos o bien véanla en Internet. Para responder las preguntas de esta actividad, sus estudiantes deben realizar una investigación para conocer cuáles son los elementos de una onda. Para ello, deben disponer de la bibliografía adecuada, la que pueden obtener en el portal educarchile, en otro medio como Internet o en una biblioteca. Luego de revisar la bibliografía disponible, deben responder las siguientes preguntas. Las respuestas se encuentran a continuación. 1. Qué es la longitud de onda? La longitud de onda es la distancia que recorre una onda completa. Tiene unidad de longitud (cm, m, km, etc.) y se simboliza con la letra λ. En otras palabras, se define como lo que mide una onda completa. 2. Qué es la amplitud de onda? La amplitud de onda es la distancia máxima que existe entre un eje de referencia hasta la cresta o valle de una onda cualquiera. Según el valor de la amplitud, las ondas son simétricas o asimétricas. Si la amplitud hacia la cresta es igual que la amplitud hacia el valle, entonces será una onda simétrica. 3. Qué es frecuencia de vibración? La frecuencia de vibración corresponde al número de ondas por unidad de tiempo. La unidad de medición para la frecuencia es el hertz. 4. Qué es el periodo de una onda? Corresponde al inverso de la frecuencia o bien al tiempo que demora en completarse una onda. Se simboliza con la letra T y se mide en unidades de tiempo. 5. Qué es la velocidad de propagación de una onda? La velocidad de propagación de una onda corresponde a la distancia que recorre una onda por unidad de tiempo. Tiene unidades de velocidad (distancia/tiempo). 7

8 Paso 3 Indique a sus estudiantes que de acuerdo con las características de una onda, se da lugar a distintos fenómenos que diariamente vemos u observamos, pero sin darnos cuenta. Invite a sus estudiantes a observar el video Resonancia. Si es necesario, pueden verlo más de una vez. Destaque los siguientes momentos: - Cuando el conductor indica de qué trata el video (resonancia). - Cuando el conductor hace oscilar uno de los péndulos. - Cuando se comienzan a mover los demás péndulos. Paso 4 En esta parte de la actividad, sus estudiantes ya deben haber visto el video Resonancia. Luego, tienen que describir el fenómeno que allí observan y posteriormente intentar darle una explicación mediante la investigación de distintos fenómenos de las ondas. Para ello deben disponer de la bibliografía adecuada, la que pueden obtener en el portal educarchile, en otros medios como Internet o en una biblioteca. Además, deben responder las siguientes preguntas, cuyas respuestas se presentan a continuación. 1. Observa el video de resonancia del sonido y explica. Qué ocurrió? Por qué ocurrió? En el video se observa una serie de péndulos unidos a la misma cuerda. El conductor hace oscilar uno de los péndulos y luego de unos minutos comienzan a oscilar otros péndulos de la misma frecuencia de vibración que el primero. Este fenómeno ocurre por la resonancia, que consiste en que se transmite la energía de una vibración a otro cuerpo, el que también comienza a oscilar. 2. Qué condiciones deberá tener un objeto para que vibre al igual que lo hace el objeto que realiza la vibración inicial? Para que se produzca el fenómeno de resonancia, el segundo objeto debe tener la misma frecuencia natural de vibración que el primero; de este modo el objeto será capaz de recibir la energía de una oscilación para también comenzar a oscilar. 3. Imagina que por la calle del lugar donde te encuentras pasa una ambulancia haciendo sonar su sirena. Cómo se siente el sonido de esta sirena a medida que se acerca a tu posición? Por qué? El sonido de una sirena de ambulancia se siente más intenso (agudo) a medida que se acerca a una posición fija. 4. Cómo se siente el sonido de la sirena de la ambulancia a medida que se aleja de tu posición? Por qué? El sonido de una sirena de una ambulancia se percibe más grave o menos intenso a medida que este sonido se aleja de una posición fija. 8

9 Este fenómeno corresponde al efecto Doppler, que consiste en la variación aparente de la frecuencia de un sonido percibido por un receptor. 1. Investiga más acerca del efecto Doppler y luego intenta definirlo con tus palabras. Cuando la ambulancia o el carro de bomberos se acerca, las ondas provenientes de la sirena se comprimen, es decir, el tamaño de las ondas disminuye, lo cual se traduce en la percepción de una frecuencia mayor. Cuando se aleja, las ondas se separan en relación con el observador, causando que la frecuencia observada sea menor que la de la fuente de observación. El efecto Doppler se refiere al cambio en la frecuencia de un sonido, que se detecta cuando: - Observador fijo, fuente sonora moviéndose - Observador moviéndose, fuente sonora fija. - Observador en movimiento y fuente sonora también en movimiento. El efecto Doppler consiste en la variación aparente de la frecuencia de un sonido percibido por un receptor. Es decir, cuando percibimos un sonido que está lejos, lo sentimos distinto a cuando está cerca; sin embargo, el sonido es el mismo y por tanto no está cambiando su frecuencia de vibración. La fuente receptora fija lo percibe en forma diferente dependiendo de la posición con respecto al emisor de la onda. Puede terminar la actividad aquí, o bien continuar con las siguientes actividades de extensión que comprenden los demás fenómenos del las ondas acústicas. Actividades de extensión: Motive a sus estudiantes a que investiguen otros fenómenos del sonido, por ejemplo el eco. O qué ocurre con el sonido cuando viajamos en el espacio. a. Cómo se transmite el sonido? El sonido es una onda mecánica y, como tal, se transmite a través de medios materiales, tales como el aire, agua, madera, concreto, vidrios, etc. Mientras más denso es el medio en que viaja el sonido, su velocidad de propagación es mayor. Así es como en el agua (a unos 20 C) la velocidad del sonido es de unos m/s y en el acero de unos m/s. b. Imaginemos que viajamos al espacio en una nave espacial que sufre un desperfecto y perdemos la atmosfera de aire que nos rodea, sin embargo contamos con oxígeno disponible en botellas para no morir. Nos encontramos en el espacio, esperando nuestro rescate. Bajo estas condiciones, podremos percibir algún sonido? 9

10 El sonido es una onda que necesita un medio material para ser escuchado. En el espacio hay vacío (por eso lo vemos negro), y por lo tanto no es un medio material, con esto el sonido no puede viajar a través de él. No podremos percibir ningún sonido. Si hacemos algún sonido, este no tendrá ni un medio disponible para viajar, por lo tanto no lo escucharemos. c. Qué es la absorción del sonido? En qué ocasiones es fundamental que exista esta propiedad? La absorción del sonido es el inverso de la reflexión. Ocurre cuando una onda cambia su medio de propagación, pero este medio es capaz de absorber toda la energía de la onda, impidiendo que se siga propagando. Algunos materiales que absorben el sonido son el corcho, el material de las cajas de huevos o la plumavit, los que son utilizados para aislar el sonido y evitar que se transmita a otros lugares. d. Qué es la reflexión del sonido? Dónde podemos ver la reflexión del sonido? La reflexión es un fenómeno que se produce en la mayoría de las ondas, y ocurre cuando cambia bruscamente el medio de propagación de una onda, haciendo que ésta rebote, reflejándose. Podemos observar fácilmente este fenómeno en lugares solitarios, en los que una onda sonora viaja a través del aire y repentinamente cambia el medio de propagación, por ejemplo, a una roca o a una pared. La onda sonora no traspasará este medio y se reflejará a distintas velocidades. Lo que escuchamos es la repetición de la onda en el tiempo que va disminuyendo su intensidad hasta cero. e. Qué es el eco? El eco no es más que una forma de reflexión del sonido. El eco se produce en lugares solitarios, donde el sonido rebota en ciertas superficies y lo que percibimos es la repetición de una onda sonora. f. Existe otra forma de reflexión del sonido? Otra forma de reflexión del sonido es la reverberación. Este fenómeno consiste en las sucesivas reflexiones del sonido en distintas superficies. Al emitir un sonido, este es capaz de reflejarse en varios lugares que sirven como obstáculos de su propagación. La reverberación ocurre normalmente en casas antiguas que se encuentran desocupadas, y por tanto el sonido se refleja tanto en las paredes como en el suelo y techo de la casa. 10

11 Paso 5 Para concluir esta actividad, realice nuevamente la misma pregunta con la que inició la actividad. - Todas las ondas son iguales? - Cómo caracterizamos una onda? Observe si sus estudiantes comprendieron que las ondas se caracterizan e identifican a través de su longitud de onda, frecuencia, amplitud y velocidad de propagación. Invite a los estudiantes a observar las presentaciones digitales disponibles en el portal educarchile a modo de resumen de los contenidos revisados en esta actividad. 11