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Ondas
Sonido

Objetivos de la Unidad.

1.       Argumentar la presencia de las oscilaciones y las ondas en la vida, en las aplicaciones en la ciencia, la técnica  y la importancia de su estudio, relacionándolos con hechos de la historia universal y nacional.

2.      Caracterizar los conceptos de oscilación, oscilación periódica y onda, ilustrando dichos conceptos mediante ejemplos concretos.

3.      Exponer los factores esenciales de los cuales dependen las características de las oscilaciones y de las ondas, planteando ejemplos cualitativos (oscilaciones libres, amortiguadas y  la resonancia).

4.      Determinar experimentalmente la frecuencia y el período de las oscilaciones de diversos sistemas.

5.      Calcular longitudes de ondas y frecuencias para diversas oscilaciones que se propagan.

6.      Describir diferentes modos de producir sonido y de qué dependen su tono, su intensidad y su timbre, mediante distintos ejemplos prácticos y en qué consisten la absorción, reflexión y difracción del sonido, su presencia en la naturaleza y sus aplicaciones.

Principales Temáticas para abordar el contenido.

 

1Introducción. ¿Qué son las oscilaciones? ¿Qué son las ondas?

1.2     Principales características de las oscilaciones.

1.2.1        Oscilaciones periódicas.

1.2.2        Amplitud, frecuencia y período.

1.2.3        Factores  que determinan las características de las oscilaciones.

1.3      Principales características de las ondas.

1.3.1  Transmisión de energía mediante ondas.

1.3.2  Magnitudes que caracterizan a las ondas.

1.4  El sonido: un tipo de oscilación.

1.4.1  Producción de sonidos.

1.4.2  El sonido y el medio donde se propaga.

1.4.3  El sonido frente a obstáculos. Contaminación por ruido

IDEAS ESENCIALES Y ALGUNAS CONSIDERACIONES METODOLÓGICAS

Antecedentes

Este tema tiene como antecedentes los contenidos tratados, fundamentalmente en las primeras unidades del octavo grado en esta asignatura, en particular, en las unidades correspondientes al estudio del Movimiento mecánico y a la Energía. Es importante recordar que el hilo conductor de esta asignatura es el estudio de los sistemas y cambios principales en el universo. El más común de los cambios estudiados es el movimiento mecánico y es un cambio fundamental pues está en la base de otros mucho más complejos. Por otra parte, la energía caracteriza la capacidad de los sistemas para producir cambios. Independientemente de la naturaleza de los cambios, paran que estos se produzcan, es necesario que se ponga en juego cierta cantidad de energía. Es importante retomar estas dos ideas para estudiar dos formas importantes de movimientos que tienen características particulares: oscilatorios y ondulatorios.

Durante el estudio del tema se retoman conceptos estudiados en unidades anteriores tales como: velocidad, masa, fuerza. Además de interpretar y aplicar las leyes del movimiento mecánico.

Los principales conceptos que se tratan en esta unidad constituyen la base para la comprensión algunos de los fenómenos que se estudiarán posteriormente. En particular, los conceptos de oscilaciones periódicas y ondas son imprescindibles para el estudio de la corriente alterna, las ondas electromagnéticas y sus aplicaciones y en especial para el estudio de la luz.

Interdisciplinariedad.

Matemática:  Es importante el significado de operaciones básicas con números naturales y fraccionarios (cálculo de frecuencia y período). Resolución de ecuaciones lineales de la forma ax=b (cálculo de la longitud de onda). Interpretación y construcción de tablas y gráficos (tablas de valores de velocidades de ondas en diferentes medios, de frecuencias de ondas de ondas, períodos de oscilaciones, entre otras).

Biología: Es importante relacionar los principales conceptos de la unidad con diferentes movimientos oscilatorios y ondulatorios en el cuerpo humano. Algunos de estos ejemplos son las oscilaciones del corazón, la interacción del organismo con diferentes ondas electromagnéticas, incluyendo las luminosas, la recepción y emisión de ondas sonoras por el hombre y otros animales, la importancia del ultrasonido y el infrasonido para el hombre, la ciencia y algunos animales., los efectos de la contaminación acústica para el hombre y el medio ambiente.

Química: Se requiere en la unidad discutir acerca de los movimientos oscilatorios de los átomos y moléculas en la red cristalina de un sólido. Es importante la relación de las ondas electromagnéticas con la sustancia, como ocurre en el horno de microondas y en otros casos (radiaciones X). En este sentido el  fenómeno de la resonancia de amplitud también se evidencia en átomos y moléculas al interactuar con una onda. A modo de información cualitativa citar la importancia de la resonancia magnética nuclear y su uso en la medicina.

Geografía: Es necesario conocer las características principales de las ondas sísmicas (provocadas por sismos o terremotos), ubicar las zonas sísmicas en el planeta y las principales teorías acerca del origen de los terremotos. Explicar a qué fundamentalmente debe su nombre el fenómeno atmosférico “Oscilación del Sur”.

El estudio de los elementos previstos en esta unidad crea precedencia para el resto de los contenidos de las restantes unidades.

En esta unidad tiene un peso fundamental los análisis de las implicaciones que tienen los fenómenos oscilatorios y ondulatorios sobre la vida de los seres humanos y la gran cantidad de aplicaciones técnicas y científicas que estas poseen.

Se trabajará fundamentalmente a nivel cualitativo en el análisis de situaciones problemáticas que den como resultado los conceptos fundamentales a tratar. En el caso de la  frecuencia y el período de las oscilaciones de un cuerpo se determinarán cuantitativamente a partir de experimentos sencillos que permiten la deducción de las ecuaciones necesarias.

Es importante debatir con los estudiantes cómo realizar un diseño de experimento, ya que constituye una habilidad que comienza a desarrollarse desde la secundaria básica y que requiere de trabajo sistemático.

Sistema de conceptos y leyes:

Oscilación. Onda. Movimiento oscilatorio periódico. Amplitud. Período. Frecuencia. Factores que determinan las características de las oscilaciones. Longitud de onda. Velocidad de la onda. Sonido. Tono. Timbre. Ultrasonido. Ruido. Contaminación acústica.

Ley: Ley de transformación y conservación de la energía.

Habilidades Generales

Planteamiento de problemas.

Acotamiento de situaciones problémicas.

Emisión de suposiciones.

Búsqueda de información.

Elaboración de estrategias para la resolución de problemas.

Diseño de experimentos, medición de magnitudes y análisis de las fuentes de incertidumbre.

Comprobación de las suposiciones o hipótesis.

Valorar las implicaciones del estudio realizado para CTS.

Elaboración, comunicación y discusión de los resultados.

Métodos y formas de trabajo

Elaboración conjunta

Trabajo en colectivo

Trabajo independiente

Problémico

Actividades Experimentales

Medición de la frecuencia y el período de las oscilaciones

Factores de los que dependenlas características de las oscilaciones

EVALUACIÓN

Invariantes  que no deben dejar de evaluarse en la asignatura de acuerdo a lo establecido en la 226/03 sobre los contenidos de la unidad.

  • Argumentar  la necesidad de cuidar y proteger el medio ambiente al apreciar las bellezas de la naturaleza.
  • Determinar  la frecuencia y el período de las oscilaciones de diversos sistemas.
  • Calcular longitudes de ondas y frecuencias para diversas oscilaciones que se propagan.

 PROPUESTA DE ACTIVIDADES A DESARROLLAR

1. Confecciona un listado, lo más amplio posible, de aquellas oscilaciones que, en tu opinión, tienen interés para la ciencia y la tecnología.

Comentario. Puede reflexionarse en cuestiones como las siguientes: Muchas oscilaciones se transmiten de un lugar a otro. Ejemplos de ello son las que provocamos en uno de los extremos de una cuerda o resorte y las producidas al tocar con  algún objeto la superficie del agua. Otros casos más complejos, pero de suma importancia para la vida práctica son, la propagación de los temblores de tierra, del sonido, de las oscilaciones originadas en las antenas transmisoras de radio y televisión.

2. Experimental. Monta un péndulo (o un cuerpo que cuelga de un resorte o una banda elástica).

a) Mide el tiempo que demora en realizarse una sola oscilación. c) Describe las principales fuentes de incertidumbre en el resultado obtenido. c) Reflexiona acerca del procedimiento a seguir para medir el período con mayor exactitud.

3. Determina la frecuencia de las oscilaciones de un péndulo (o de un cuerpo que cuelga de un resorte). Menciona las principales fuentes de incertidumbre en el resultado.

4. Averigua la frecuencia de las oscilaciones de algunos equipos e instalaciones utilizados en la vida cotidiana, por ejemplo, de: a) el voltaje en la red eléctrica, b) el microprocesador de la computadora en que trabajas, c)las oscilaciones que transmite alguna emisora de radio. Trata de interpretar el significado de dichas frecuencias en cada caso.

5. Estudia las oscilaciones que ocurren en diversos sistemas (péndulo, cuerpo que cuelga de un resorte o banda elástica, fleje fijo por un extremo...). ¿De qué factores dependerá la frecuencia (y por tanto el período) de las oscilaciones? ¿y la amplitud de ellas?

Comentario.

El estudio de las oscilaciones que tienen lugar en diversos sistemas (péndulo, cuerpo-resorte, fleje sujeto por un extremo...), sugiere que:

 

Si la  amplitud de las oscilaciones no es muy grande, la frecuencia es independiente de ella.

 

La frecuencia depende de ciertas características propias del sistema: por ejemplo, de la longitud, como en el péndulo o el fleje; de la masa, como en el sistema cuerpo-resorte; del material, como en el cuerpo-resorte o el fleje; etc.

 

La amplitud de las oscilaciones está determinada por características iniciales del sistema: por ejemplo, el desplazamiento inicial del péndulo o del cuerpo que cuelga del resorte, la velocidad que se les imprime...

6. Examina la escala de frecuencias del radio de tu casa. ¿Cuál es el rango de frecuencias a que puede sintonizarse? Determina, aproximadamente, la frecuencia a la que transmite alguna de las emisoras de radio.

7. Comenta la información proporcionada en la tabla. Reflexiona sobre el interés que puede tener para la ciencia, la tecnología, o la vida en general, medir la velocidad de las ondas.

Tabla Velocidad aproximada de ciertas ondas en determinados medios

Tipo de onda y medio

Velocidad aproximada

Onda sonora en el aire a 10 ºC

337 m/s

Onda sonora en el aire a 28 ºC

348 m/s

Onda sonora en el agua

1 500 m/s

Onda sonora en el acero

5 000 m/s

Ondas sísmicas

4 – 14 km/s

Onda luminosa en el vidrio

200 000 km/s

Onda de radio en el vacío y en el aire

300 000 km/s

Onda luminosa en el vacío y en el aire

300 000 km/s

 

8. Averigua las frecuencias en que transmiten Radio Rebelde (onda larga) y Radio Taíno (FM) y calcula las longitudes de onda correspondientes a esas frecuencias. Menciona las posibles fuentes de incertidumbre en los resultados obtenidos.

9. Calcula el rango de longitudes de onda correspondientes a la propagación del sonido en el aire. Indica las principales fuentes de incertidumbre en los resultados obtenidos.

 10. Explica desde el punto de vista de la energía, por qué cuando el sonido se propaga en medios abiertos, por ejemplo en el aire circundante, su intensidad disminuye mucho al aumentar la distancia respecto a la fuente. ¿Cómo pudiera transmitirse el sonido de un lugar a otro sin grandes pérdidas en su volumen?

11. Algunos cetáceos se comunican entre sí a enormes distancias mediante sonidos emitidos en el agua. ¿Por qué no podrían hacer lo mismo mediante sonidos emitidos en el aire?

12. Indaga acerca de la ecolocalización (o ecolocación) y su empleo por el hombre y los animales.

13. La contaminación ambiental es producida no sólo por desechos vertidos al ambiente, sino también por energía dispersada en ella en forma de ondas. Reflexiona acerca de las fuentes de contaminación ambiental por ruido y sobre el perjuicio que este acarrea.

14. Indaga acerca del proceso de audición, desde que la onda sonora llega al oído hasta que se produce la sensación de sonido.

15. Se sabe que la duración de una descarga eléctrica atmosférica (rayo) es de tan solo fracciones de segundo. ¿Por qué entonces el sonido que la acompaña (trueno) se prolonga durante un tiempo mucho mayor?

 

Bibliografía

Colectivo de autores. Enseñanza de la física elemental. Editorial Pueblo y Educación

Colectivo de autores. Programa de Ciencias Naturales  para Secundaria Básica octavo  grado.