Laboratorio 2 - 2do. cuatrimestre 2010 - Miércoles de 14 a 20 hs

 

Régimen de la Materia        Cronograma        Seguridad        Prácticas        Presentación de Informes        Cuaderno de Laboratorio        Bibliografía y otros links       

 

            Profesor: Miguel A. LAROTONDA (División Óptica Cuántica, CEILAP, CITEDEF)

            Ayudante 1a: Hernán REISIN (Grupo de Altas Energías y Partículas, FCEyN)

 

 

REGIMEN DE LA MATERIA:

Laboratorio 2 es correlativa de TP de Física 1 y TP de Laboratorio 1. Sin embargo, es altamente recomendable que se haya cursado Física 2 previamente o al menos que se curse simultáneamente durante un cuatrimestre normal. Se  desaconseja fuertemente cursar en forma simultánea Física 2 y Laboratorio 2 en el curso de verano.
 

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CRONOGRAMA (tentativo);

18 de agosto: Formación de los grupos de trabajo y demostración de los instrumentos de la primera etapa. Comienzo de la primera etapa: aprendizaje en el uso del osciloscopio.

25 de agosto, 1 y 8 de septiembre: Primera etapa: ondas sonoras viajeras en aire. Caracterización de fuentes y detectores. PRIMER INFORME SE ENTREGA EL 15 DE SEPTIEMBRE.

15, 22 y 29 de septiembre: Segunda etapa: ondas estacionarias. Cuerdas y tubos de Kundt. SEGUNDO INFORME SE ENTREGA EL 6 DE OCTUBRE.

6 de OCTUBRE: corrección de cuadernos.

6, 13, 20 y 27 de octubre: Tercera etapa: luz, caracterización de las fuentes: polarización, coherencia, frecuencia, colimación. TERCER INFORME SE ENTREGA EL 3 DE NOVIEMBRE.

3, 10 y 17 de noviembre: Cuarta etapa: Interferencia-difracción. Interferencia por disivsión de amplitud. Difracción de Fraunhoffer. Resolución de sistemas ópticos. EL INFORME SE ENTREGA EL 1 DE DICIEMBRE.

10 de noviembre: corrección de cuadernos.

24 de noviembre: Exposición oral de una práctica de cualquiera de las etapas 1 a 4.

1 de diciembre: ENTREGA DEL INFORME DE LA ÚLTIMA PRÁCTICA.

~4/7 de diciembre: Firma de libretas

 

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SEGURIDAD EN LABORATORIO 2:

Normas de seguridad básicas para los laboratorios del Departamento de Física de la FCEyN y las particulares para la operación de sistemas láser. LEERLAS Y CUMPLIRLAS. Si queda alguna duda acerca de lo que se leyó, consultar con los docentes

Estos documentos son normas oficiales de seguridad e higiene, publicadas por el Departamento y por el Servicio de Higiene y Seguridad en el Trabajo de la FCEyN.

Este documento describes normas internas de los Laboratorios de Enseñanza.

            Link a las charlas de seguridad OBLIGATORIAS (archivos PPT)

            Servicio de Higiene y Seguridad, FCEyN

 

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PAUTAS PARA EL DESARROLLO DE LOS EXPERIMENTOS:

El osciloscopio es un instrumento que permite graficar en una pantalla una o dos variables en función del tiempo. La ordenada corresponde a una señal eléctrica de la cual mide la tensión o el voltaje, y la abscisa es el eje de tiempo. El instrumento a utilizar en el laboratorio no posee memoria o persistencia del dibujo, por lo que para visualizar la señal buscada en necesario que sea periódica de modo de trazarla una y otra vez y lograr así la persistencia de la imagen. Como todo gráfico, requiere que se definan a priori ciertas condiciones, a saber:

1. Escala horizontal.

2. Escala vertical.

3. Posición de los ejes en la pantalla.

4. Origen de tiempo.

Determinen con qué perillas del instrumento se establecen cada una de las funciones mencionadas. En particular, el establecimiento del origen de tiempo requiere una decisión explícita, ya que a diferencia de la graficación de una función con definición analítica, acá estamos graficando una variable física definida desde t=-¥. Para ello hay varias opciones, una es generar una señal externa sincrónica con la que deseamos graficar y que usamos como referencia, iniciando el gráfico cada vez que dicha señal pasa por un determinado valor. Otra opción es generar la referencia con la señal misma que deseamos graficar.

Exploren como se establecen estas opciones y el significado de las otras.

Además, como todo instrumento, necesita de un patrón para calibración. El osciloscopio lleva incorporado dicho patrón, consistente en una señal periódica de perfil cuadrado y amplitud predeterminada. Con ella se puede calibrar tanto el eje de tiempos como el eje vertical. Utilicen dicha señal de calibración para familiarizarse con las funciones antes mencionadas. Acompañen en la medida de lo posible dicha exploración con la lectura del manual del instrumento.

Si el instrumento permite graficar dos variables simultáneamente (dos canales), explore las distintas maneras de hacerlo (simultánea o alternada). Existe también la posibilidad de restar a la señal su valor medio (modo AC), de expandir partes de la señal, limitar el ancho de banda, sumar señales, invertir, y otras. Presten atención a la posible utilización de estas funciones.

 

Caracterización de la fuente y el detector

En esta etapa se trabajará con dos tipos de emisores y de detectores. Como emisores se cuenta con un parlante y un emisor piezoeléctrico de ultrasonido. Como detectores se cuenta con un micrófono y con un trasductor piezoeléctrico.

Emisor y detector de ultrasonido (sonido a frecuencias superiores a la audible): Dicho dispositivo consiste en un trasductor piezoeléctrico que convierte tensión eléctrica (voltaje) en desplazamiento (o presión, según las condiciones de contorno), y viceversa (presión en voltaje). Si el emisor es excitado por una señal armónica emitirá una onda sonora a la frecuencia de excitación. Si otro trasductor es colocado en el camino de la onda emitida, sufrirá una presión que varía en forma armónica que será convertida en una señal eléctrica que puede medirse en el osciloscopio.

Tareas propuestas:

Tareas propuestas:

i) ¿cómo mide la frecuencia?, ¿cómo varía la frecuencia? 

ii) ¿con qué dispara la señal (origen de tiempos)?.  Trate de ir pensando quién determina la frecuencia máxima: ¿el detector?, ¿el emisor?, ¿alguna combinación de ambos?, ¿el generador?
Ahora tiene un instrumento de medida que es necesario caracterizar: discuta los conceptos de linealidad y de rango dinámico. Discuta cómo determinarlos.
El paso siguiente es caracterizar la fuente (emisor). Determine si la señal es lineal con la tensión de alimentación y si la linealidad cambia con la frecuencia.

Importante: no excederse del tiempo total programado.

Informe: para la confección del informe tener en cuenta el instructivo correspondiente.

Cuaderno: Seguir el decálogo. No olviden que es la memoria del grupo. Debe registrarse todo y en tiempo real.

Algunas preguntas sueltas:
La discusión de estas preguntas (y otras) puede ayudar a diseñar experimentos en etapas futuras:
- Si la excitación se realiza con onda cuadrada, ¿cómo es la emisión?
- ¿Es relevante la estructura del soporte del emisor y del colector? Analice cómo evidenciarlo.
-  Estudiar el efecto que produce interponer diferentes materiales en el camino de la onda. Discutir la posibilidad de elaborar en forma sencilla     obstáculos o reflectores para hacer interferencia o difracción.
- Una alternativa es usar más de una fuente. En ese caso analizar cómo hay que excitarlas para ver interferencia.

En esta etapa se plantea como objetivo estudiar ondas mecánicas estacionarias; para ello se generarán y estudiarán, caracterizando experimentalmente, ondas transversales en cuerdas y ondas de presión (longitudinales) en tubos. Sobre este último sistema se podrá eventualmente medir la velocidad de propagación de una perturbación compuesta por varias frecuencias.
- Estudiar ondas mecánicas estacionarias
- Generar y estudiar ondas transversales en cuerdas
- Generar y estudiar ondas longitudinales en tubos
- Medir la velocidad de propagación de una perturbación

Tarea preliminar:
Resuelva analíticamente las ecuaciones para una onda unidimensional confinada entre dos puntos, con diferentes condiciones de contorno. En cada caso halle las frecuencias asociadas a los modos normales.
a) Ambos extremos fijos
b) Ambos extremos libres (¿qué diferencia hay entre extremos libres y extremos sueltos?)
c) Un extremo libre y el otro fijo
En todos los casos considere diferentes orígenes para el sistema de coordenadas.
Compare la  frecuencia del modo más bajo con la diferencia de frecuencias entre modos.
d) Si es posible discuta los cambios que habría que realizar para una terminación que no es ni fija ni libre, sino que tiene una impedancia arbitraria.
e) Si es posible resuelva ahora la cuerda fija en un extremo y forzada en el otro con un desplazamiento armónico de amplitud D y frecuencia W. Determine la amplitud como función de W y del punto en el que se aplica el desplazamiento.
f) Si es posible resuelva ahora la cuerda fija en un extremo y forzada en el otro con una fuerza armónica de frecuencia angular W y amplitud F. Determine la amplitud como función de W y del punto en el que se aplica la fuerza.

Tareas propuestas:
Se dispone de dos sistemas que permiten la generación de ondas estacionarias. Uno corresponde a la propagación de ondas en cuerdas y el otro en gases (tubo de Kundt).
Cuerdas: Se dispone de cuerdas elásticas, de un sistema de sujeción, de forma de variar la tensión de la cuerda de forma conocida y de un dispositivo de excitación. El sistema de excitación consiste en un parlante modificado (wave driver) para introducir pequeños desplazamientos, aproximadamente senoidales, en algún punto de la cuerda. ADVERTENCIA: Estos equipos poseen una traba para limitar bloquear su accionamiento mecánico cuando no están en uso. RETIRAR LA TRABA ANTES DE COMENZAR A UTILIZARLOS
i) Confirme las predicciones hechas en la tarea preliminar.
ii) Determine cuáles son los parámetros que se pueden medir y que forman parte de la ecuación de ondas.
iii) Si es posible diseñe algún experimento que permita verificar la linealidad del sistema.
Tubos: poseen un parlante en un extremo, que se excita con un generador de ondas y de un pistón que se introduce desde el otro extremo. El pistón permite variar la longitud del tubo. También se dispone de un micrófono para detectar la señal, cuya posición se controla mediante una varilla de bronce.
ADVERTENCIA: el micrófono tiene una batería, DESCONECTE LA LLAVE CUANDO NO LO USA.
i) Decida si en el parlante hay un nodo de presión, o un vientre, o algo intermedio. Verifíquelo experimentalmente.
ii) Decida si un micrófono mide presión o desplazamiento
iii) Busque las resonancias del tubo y empléelas para determinar la velocidad del sonido.
iv) Si es posible use estas resonancias para estimar la disipación.
Compare la velocidad del sonido, determinada por este método con la obtenida para ondas propagantes (Primera etapa). Con el tubo verifique si es la misma para frecuencias audibles (aprox. 500Hz) y para  ultrasonido (lo más cerca de 40kHz posible).

Los objetivos de esta etapa son familiarizarse con instrumental óptico, caracterizar distintas fuentes de luz (láser de helio neón, láser de diodo, otras fuentes) y detectores ópticos (fotodiodos), de acuerdo a las características de la emisión de luz de cada una (frecuencia, longitud de coherencia, divergencia angular, polarización, etc). Estudiar el fenómeno de polarización en superficies, y aplicarlo a la determinación del índice de refracción de ciertos materiales. Asimismo se pretende que se aprenda a diseñar y montar sistemas ópticos complejos (compuestos por más de un elemento).

Caracterización del detector:
1.- En primer término se propone determinar la linealidad del detector. Como no es posible regular la intensidad de la fuente una posibilidad sería utilizar filtros atenuadores (ver cuales son los inconvenientes),  otra forma de atenuar podría ser emplear polarizadores (cómo lo haría en este caso?). Teniendo en cuenta la posible existencia de condiciones de saturación cómo haría para medir el perfil  de una figura de difracción en el que la distribución de intensidades presenta ordenes de magnitud de diferencia?.
2.- Asumiendo que la luz se comporta como una onda, se propone discutir cómo determinar qué es lo que mide el detector: ¿amplitud o intensidad?

Caracterización de la fuente:
Analice si es posible, mediante experiencias de interferencia y/o difracción y/o polarización, contestar las siguientes preguntas:
- ¿Se comporta la luz como una onda?, si lo hace ¿cómo mediría la longitud de onda, la frecuencia, la longitud de coherencia o el ancho de banda?, ¿sería posible medir la velocidad de fase de la onda?
- ¿Es posible medir la amplitud y la fase de la onda?
- ¿A qué tipo de onda corresponde, longitudinal o transversal?, si fuese transversal ¿sería posible determinar su polarización? 

Tenga en cuenta que en el laboratorio puede disponer del valor numérico (altamente confiable) de alguna magnitud (¿cuál?), y que ese valor puede ser usado para determinar otras magnitudes de interés.

Polarización de la luz por reflexión en superficies: Se propone que mediante el goniómetro, un láser polarizado (cuál?), y una superficie de vidrio como la de un prisma, se monte un experimento en el que se mida la intensidad del campo reflejada para las polarizaciones paralela y perpendicular al plano de incidencia. Qué característica del material se puede determinar de esta forma?

En esta etapa se pretende que los alumnos piensen y diseñen y realicen por sí mismos un experimento de óptica (que no tiene que ser precisamente sobre interferencia o difracción, aunque es preferible)

Como guía de posibles experiencias, algunos de los objetivos de esta etapa son:

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INFORMES

Al elaborar los informes deberá tener en cuenta ciertas pautas racionales de estructura y motivación.

Estructura:
Todos los informes deberán tener una estructura relacionada con su objetivo, que es la estándar en la publicación de trabajos y que forma parte del aprendizaje del curso. Un informe se divide en:

  1. Título y autores.
  2. Resumen: de hasta 200 palabras. Contiene fundamentalmente los objetivos que se plantean en la Introducción y las conclusiones, o un resumen de ellas.
  3. Introducción: en ella se exponen las motivaciones del trabajo y los antecedentes. Normalmente los antecedentes son trabajos de otros, acá simplemente pueden ser trabajos previos del grupo y cita de comentarios de otros grupos en las discusiones generales o las hipótesis básicas que utilizará para desarrollar la experiencia. En la introducción se adelanta la estructura del trabajo: en la sección ... (tal) se describirá ... (tal cosa), etc.
  4. Descripción del experimento y resultados: se da un detalle de la configuración experimental utilizada y una descripción de los aspectos relevantes de los dispositivos y equipos de medición. Se incluyen las citas a las ecuaciones que se utilizan (que estarán en la introducción); las tablas de resultados y los gráficos y resultados con una descripción de cómo se obtuvieron. Se muestran los ajustes de curvas, se obtienen los errores por propagación y se discuten los resultados (validez, precisión, interpretación, etc.). Cada figura o tabla debe estar numerada y debe contener una leyenda al pie que permita entenderla sin recurrir al texto completo. La descripción detallada debe estar incluida también en el texto.
  5. Conclusiones y discusión: contiene la discusión de cómo, a partir de los resultados, se demuestra aquello que se planteó como objetivo del trabajo tanto en el resumen como en la introducción. En las conclusiones no debe figurar nada que no se haya mencionado anteriormente.
  6. Agradecimientos: se agradece a aquellos que colaboraron en el trabajo, pero cuya participación no amerita la categoría de coautores. Se agradece también a las instituciones que financiaron el proyecto.
  7. Referencias: Las convenciones de citas son varias. Se sugiere citar numerando por orden de aparición, indicando, si es revista:  1.- Autores; 2.- Título; 3.- Revista-Volumen; 4.- Página  y 5.- Año. Ejemplo: M. Stalder and M. Schadt, “Linearly polarized light with axial symmetry generated by liquid-crystal polarization converters”, Opt. Lett. 21, 1948-1950 (1996). Si es libro: 1.- Autor; 2.- Título; 3.- Editorial: 4.- Edición, año y 5.- Página. Ejemplo: J. Goodman, Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, 2nd Edition, New York (1996), p. 254.
     

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CUADERNO DE LABORATORIO (decálogo elaborado por el Dr. O. Martínez)

Al elaborar el cuaderno de laboratorio deberá tener en cuenta los siguientes puntos

  1. Es un documento. Correctamente utilizado tiene valor documental legal. Puede utilizarse para reclamar autoría de una idea e incluso derechos de patentes. Para ello debe tener fechas, sin raspaduras ni espacios en blanco, sin inserciones y en lo posible firmado por testigos.
  2. Es personal. Puede haber otros cuadernos de uso compartido, por equipo o instrumento, por laboratorio, etc., donde se anota información de uso general, como cambios introducidos, o estado de conservación. Pero el cuaderno de laboratorio contiene ideas, propuestas y maneras de volcar la información que son personales (cada persona tiene su manera de ver, enfocar y anotar).
  3. Es un registro de anotación secuencial. No deben intercalarse resultados ni corregirse lo escrito. En caso de detectarse un error, se anota al margen el error detectado y la página en que se corrige. Esto permite saber si el error se puede volver a encontrar y a partir de qué datos está corregido. Por este  mismo motivo no debe escribirse en lápiz.
  4. Las páginas deben ir numeradas. Esto permite hacer referencia sencilla a anotaciones anteriores así como indicar al margen dónde se corrigen los errores.
  5. Las fórmulas y las figuras deben tener una numeración consistente e interna. Un ejemplo práctico es numerar correlativamente todas las fórmulas dentro de cada página u hoja y citarlas por pag./ form. Es importante numerar todas las fórmulas pues no sabemos en el futuro cuál necesitaremos citar.
  6. Referencias completas. Si se hace una referencia externa (guía de TP, paper, libro etc.) esta referencia debe estar completa. Si una referencia es citada con frecuencia puede usarse la última página para anotarla y citarla por número. Cuando citamos algo siempre creemos que nos vamos a acordar de dónde salió, pero esto tiene validez a corto plazo.
  7. Se deben escribir todos los resultados. Indicando la mayor información posible del experimento. Todas las condiciones experimentales deben anotarse y se deben hacer diagramas claros indicando además cada vez que hay un cambio. Un dato que hoy parece irrelevante en función de nuestro modelo de la realidad, puede resultar vital al descubrir que nuestras ideas estaban equivocadas o eran incompletas. La falta de un dato de apariencia menor puede invalidar todo lo realizado.
  8. Debe escribirse el plan. Qué es lo que se puede medir, qué es lo que se busca y las consideraciones que se hicieron para llegar al experimento. La planificación del experimento y las ideas en juego deben ser explícitas. La anotación secuencial permite seguir la evolución de las ideas, dato vital además para interpretar los resultados, pues los prejuicios condicionan lo que uno mide y cómo. Saber qué pensaba uno en el momento de medir nos indica si a esta altura tuvimos una determinada precaución que después resultó ser vital.
  9. Deben escribirse las conclusiones. Vale lo mismo que para la planificación del experimento.
  10. Hacer una puesta a cero periódica. Si una idea ha evolucionado desde el comienzo, conviene cada tanto hacer un cuadro de situación, pasando en limpio lo actuado, para no tener que reconstruir la historia cada vez.

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BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA y otros links

 

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9 de agosto de 2010