Dispositivos tecnológicos que operan con ondas electromagnéticas
Plan de clase de 90 minutos centrado en el funcionamiento y la utilidad de radar, fibra óptica, telescopios, láser y comunicaciones, con ejercicios de selección múltiple tipo PAES.
Objetivo de la clase
Explicar el funcionamiento y la utilidad de dispositivos que emplean ondas electromagnéticas (radar, comunicaciones, láser, telescopios, fibra óptica, entre otros), para resolver preguntas de selección múltiple similares a las evaluadas en PAES.
10 minInicio
Activación vinculada a la PAES
Proyecte esta situación sin entregar la fórmula del eco:
Un radar emite un pulso y recibe el eco \(2{,}0\times10^{-5}\,s\) después. Si \(c=3{,}0\times10^{8}\,m/s\), ¿a qué distancia está el objeto?
A) \(6{,}0\,km\)
B) \(1{,}5\,km\)
C) \(30\,km\)
D) \(3{,}0\,km\)
Ver desarrollo
D. El pulso va y vuelve: \(d=ct/2=(3{,}0\times10^{8})(2{,}0\times10^{-5})/2=3{,}0\times10^{3}\,m=3{,}0\,km\). A olvida el \(1/2\); B divide de más (\(ct/4\)); C se equivoca en la potencia de 10.
Preguntas breves
¿Qué rango del espectro usa el radar? ¿En qué se diferencia un telescopio reflector de uno refractor? ¿Por qué la fibra “guía” la luz?
Conceptos previos clave
Asociar dispositivo, fenómeno y rango
En PAES no se pide el circuito interno: se pide qué onda usa, qué fenómeno físico lo hace funcionar y para qué sirve.
Dispositivo
Onda / elemento óptico
Fenómeno clave
Utilidad
Radar
Microondas
Reflexión y tiempo de ida y vuelta
Localizar aviones, barcos, clima, velocidad
Radio / TV
Radio (y a veces microondas)
Emisión y recepción de una onda modulada
Transmitir audio y video a distancia
Teléfono móvil / Wi‑Fi
Radio / microondas
Comunicación inalámbrica
Datos y voz sin cable
Control remoto
IR (típico)
Emisión dirigida de IR
Enviar órdenes a corta distancia
Láser
Visible, IR u otro, coherente
Emisión estimulada; haz colimado y monocromático
Cirugía, lectores, alineación, comunicaciones
Fibra óptica
IR / visible guiado
Reflexión total interna
Internet y telefonía de alta capacidad
Prismáticos
Visible
Dos pequeños telescopios + prismas
Imagen aumentada y derecha para ambos ojos
Telescopio refractor
Visible
Lentes convergentes
Observar objetos lejanos
Telescopio reflector
Visible
Espejo cóncavo (más un secundario)
Igual, con espejos; se evitan aberraciones de color de las lentes
Radiotelescopio
Radio
Gran antena / espejo para \(\lambda\) grandes
Astronomía en radio
20 minDesarrollo 1
Radar, comunicaciones y láser
Radar
\[d=\frac{c\,t}{2}\]
\(t\) es el tiempo entre emisión y eco. El mismo principio, con sonido, es el sónar; el radar usa ondas EM, por lo que funciona en el aire y no requiere un medio material como el agua.
Láser
Monocromático: una \(f\) (o un rango muy estrecho).
Coherente: fases ordenadas.
Colimado: el haz se abre poco.
No es “luz más potente porque es blanca”: al contrario, no es blanca. Su utilidad viene de la concentración espacial y espectral de la energía.
Radio, televisión y telefonía móvil modulan una onda portadora (cambian amplitud, frecuencia o fase) para cargar información. El receptor demodula y recupera el mensaje.
20 minDesarrollo 2
Fibra óptica y telescopios
Fibra óptica
Un núcleo de mayor índice que el revestimiento permite reflexión total interna: la luz queda guiada aunque la fibra se curve (dentro de un radio razonable). Ventajas habituales frente al cobre: mayor ancho de banda, menos interferencia electromagnética y menor atenuación en largas distancias.
Telescopios
Refractor
Reflector
Radiotelescopio
Elemento principal
Lente objetivo
Espejo cóncavo
Plato / antena
Onda
Visible
Visible
Radio
Nota PAES
Puede mostrar aberración cromática
Newton, Hale, etc.
Debe ser grande: \(\lambda\) es de centímetros a metros (difracción)
Los prismáticos combinan dos sistemas telescópicos y suelen invertir la imagen con prismas para ver derecha y con percepción de profundidad.
30 minTrabajo de estudiantes
Ejercicios tipo PAES
Use \(c=3{,}0\times10^{8}\,m/s\) en el aire o el vacío.
1. El radar localiza un objeto principalmente mediante:
A) absorción total del pulso en el aire
B) eco de microondas y el tiempo de viaje
C) sonar (ultrasonido) equivalente, en el vacío
D) rayos X transmitidos a través del avión
Ver desarrollo
B. Emisión, reflexión y \(d=ct/2\). A impediría el eco; C confunde radar con ultrasonido y además el vacío no transmite sonido; D no es el principio del radar.
2. El eco tarda \(2{,}0\times10^{-5}\,s\). La distancia al objeto es:
A) \(1{,}5\,km\)
B) \(6{,}0\,km\)
C) \(30\,m\)
D) \(3{,}0\,km\)
Ver desarrollo
D. \(d=ct/2=3{,}0\times10^{3}\,m=3{,}0\,km\). A es \(ct/4\); B olvida el ida y vuelta; C un error de unidades (\(10^{3}\) vs \(10^{1}\)).
3. La fibra óptica guía la luz gracias a:
A) reflexión total interna
B) difracción en el revestimiento
C) efecto Doppler a lo largo del cable
D) absorción completa en el núcleo, que impide fugas
Ver desarrollo
A. Ángulo de incidencia mayor que el crítico en la interfaz núcleo–revestimiento. B, C y D no son el mecanismo de guiado.
4. Una propiedad distintiva del láser es:
A) ser necesariamente luz blanca
B) no ser una onda EM
C) coherencia y monocromaticidad
D) viajar más rápido que \(c\)
Ver desarrollo
C. Haz coherente, de espectro estrecho y poco divergente. A es lo contrario (el blanco es mezcla); B y D son falsas.
5. Un telescopio reflector se diferencia de un refractor en que:
A) solo detecta radio
B) no forma imagen
C) opera únicamente con ultrasonido
D) usa un espejo principal en vez de una lente objetivo
Ver desarrollo
D. El objetivo es un espejo cóncavo. A describiría un radiotelescopio; B y C son falsas.
6. Un radiotelescopio se construye de gran tamaño principalmente porque:
A) el sonido espacial es débil
B) las ondas de radio tienen \(\lambda\) grande y la resolución sufre por difracción
C) debe bloquear toda la luz visible
D) \(c\) es menor para la radio
Ver desarrollo
B. Mayor \(\lambda\) exige mayor abertura para una resolución comparable. A confunde radio con sonido; C no es el diseño; D es falsa (en el vacío \(c\) es la misma).
7. El teléfono móvil se comunica, en lo esencial, con:
A) ondas de radio / microondas
B) ultrasonido
C) rayos X
D) un cable de cobre obligatorio
Ver desarrollo
A. Enlace inalámbrico en bandas de radio/microondas. B y C son rangos ajenos; D niega lo inalámbrico.
8. Los prismáticos permiten visión estereoscópica porque:
A) usan un solo tubo
B) emiten láser hacia el objeto
C) hay un sistema óptico para cada ojo
D) detectan rayos gamma
Ver desarrollo
C. Dos telescopios paralelos + prismas para enderezar la imagen. A anularía la estereoscopía; B y D no describen prismáticos.
9. La señal de una radio FM llega al receptor como:
A) un pulso de rayos X
B) un pulso de luz visible no modulada
C) luz blanca sin portadora
D) una onda EM modulada
Ver desarrollo
D. Portadora de radio con información en la frecuencia (FM). A, B y C asignan otro rango o niegan la modulación.
10. Horno de microondas y radar coinciden en el rango espectral. Difieren en que:
A) el radar localiza por reflexión; el horno disipa energía en el alimento
B) el horno mide distancias con eco
C) el radar usa solo visible
D) ninguno usa ondas EM
Ver desarrollo
A. Mismo tipo de onda, distinta función. B intercambia los roles; C y D son falsas.
11. Una ventaja de la fibra óptica frente a un par de cobre es:
A) que transporta sonido mecánico más lento
B) que no usa reflexión
C) mayor capacidad de datos y menor interferencia EM
D) que emite rayos X al doblarse
Ver desarrollo
C. Ancho de banda e inmunidad a ruidos eléctricos típicos. A y D son falsas; B niega justamente el TIR.
12. El láser no se describe bien como:
A) luz blanca de todas las \(\lambda\) visibles a la vez
B) haz monocromático
C) emisión estimulada
D) herramienta de corte o de lectura óptica
Ver desarrollo
A. Justamente no es blanco: su espectro es estrecho. B, C y D sí corresponden al láser.
13. Un control remoto de TV doméstico suele emplear:
A) rayos gamma
B) infrarrojo
C) ultrasonido exclusivo
D) rayos X
Ver desarrollo
B. Diodo emisor de IR; por eso no “atraviesa” paredes como el Wi‑Fi. A, C y D son rangos o fenómenos ajenos al control habitual.
14. Si el eco de un radar tarda el doble, la distancia al objeto:
A) se reduce a la mitad
B) se duplica
C) no cambia
D) se cuadruplica
Ver desarrollo
B. \(d\propto t\). Si \(t\to 2t\), \(d\to 2d\). A invierte; C ignora \(d=ct/2\); D trataría \(t^2\).
15. ¿Cuál dispositivo usa reflexión de ondas EM para estimar una distancia?
A) una lámpara incandescente
B) un filtro de color
C) un radar
D) un prisma que solo dispersa
Ver desarrollo
C. El radar mide el tiempo del eco. A, B y D no localizan por ida y vuelta de un pulso EM.
10 minCierre
Síntesis y ticket de salida
Pida a los estudiantes completar oralmente o por escrito estas ideas:
Radar: microondas + eco; \(d=ct/2\).
Fibra: reflexión total interna.
Láser: coherente, monocromático, colimado; no es luz blanca.
Refractor = lentes; reflector = espejos; radiotelescopio = radio y gran abertura.
Móvil, radio y TV: ondas EM moduladas, no sonido viajando por el vacío.
Ticket PAES
Complete: “El Wi‑Fi no es luz visible, pero sí es…; la fibra no ‘empuja electrones’ como el cobre, sino que…”
Respuesta esperada
Wi‑Fi: onda electromagnética (radio/microondas). Fibra: guía luz (IR o visible) por reflexión total interna.