Laboratorio virtual de velocidad del sonido: dos métodos

Este laboratorio virtual de velocidad del sonido reúne los dos métodos escolares clásicos para medir la velocidad del sonido en el aire. Primero, los estudiantes cronometran el eco de una pared situada a 50 m, una vez con un solo aplauso y otra aplaudiendo 20 intervalos al ritmo del eco. Después colocan dos micrófonos a una distancia medida, leen el retardo entre los dos pulsos en un osciloscopio de doble canal y representan Δt frente a d. La pendiente da v. Los errores aleatorios realistas muestran por qué las repeticiones y las gráficas son mejores que una sola lectura. Todos los valores de abajo se leyeron en la simulación.

Relación con el currículo

• Cambridge IGCSE Physics 0625, 3.4 (Sound): un método que mide una distancia y un tiempo para determinar la velocidad del sonido en el aire.
• AQA GCSE Physics 8463, 4.6.1.2 (Properties of waves): describir un método para medir la velocidad de las ondas sonoras en el aire.
• AQA A-level Physics 7408, 3.3.1.1 (Progressive waves): v = fλ, aquí como ampliación con ultrasonido y un osciloscopio.

Simulic no está afiliado a Cambridge University Press & Assessment ni a AQA, ni cuenta con su respaldo.

Antes del laboratorio (5 min)

Pide a los estudiantes que se comprometan con una predicción, en papel o como pregunta 1 del enlace de clase:

"El micrófono B se aleja del micrófono A, de 0,80 m a 1,60 m. ¿Qué le pasa al retardo Δt entre los dos pulsos?"

Algunos estudiantes esperan que no cambie, porque "la velocidad del sonido es fija".

Método en la simulación

Parte A: eco (5 min)

1. Haz clic en la pestaña Eco. Deja Temperatura del aire θ en 20 °C y Distancia a la pared d en 50 m.
2. Pulsa Aplaudir una vez y espera al cronómetro. Después pulsa Aplaudir 20 intervalos. Repite las dos medidas una vez más. La tabla se rellena sola.

Método	N	T (s)	t = T/N (s)	v = 2d/t (m/s)
Un eco	1
Aplausos a ritmo	20

Parte B: dos micrófonos (15 min)

1. Haz clic en la pestaña Dos micrófonos. Deja Temperatura del aire θ en 20 °C y Base de tiempo en 1 ms/div.
2. Pon Separación de los micrófonos d en 0,40 m y pulsa Aplaudir.
3. Deja el Cursor 1 en 1,00 div, donde empieza el pulso A. Mueve el Cursor 2 al inicio del pulso B (arrástralo en la pantalla o usa el control deslizante) y pulsa Registrar.
4. Repite con 0,80; 1,20; 1,60 y 2,00 m. Lee la recta de ajuste bajo la tabla.

d (m)	0,40	0,80	1,20	1,60	2,00
Δt (ms)
v = d/Δt (m/s)

Resultados esperados

• Eco, en una página recién abierta: un eco marcó 0,37 s (270 m/s) y luego 20 intervalos marcaron 5,77 s (347 m/s). Las repeticiones dieron 0,34 s (294 m/s) y 5,65 s (354 m/s). El viaje de ida y vuelta real dura 0,29 s, así que un tiempo de reacción de 0,1–0,2 s arruina la medida de un solo eco.
• Dos micrófonos: lecturas cuidadosas de los cursores dieron Δt = 1,14; 2,34; 3,50; 4,68 y 5,84 ms. Los valores sueltos de v fueron 351, 342, 343, 342 y 342 m/s (media 344 m/s).
• Gráfica: una recta con pendiente 2,935 ms/m y ordenada en el origen −0,022 ms, así que v = 1/pendiente = 341 m/s. El modelo da 343 m/s a 20 °C.
• Con d = 1,00 m en una página recién abierta, el pulso B empieza 2,89 ms después del pulso A.

Preguntas para los estudiantes

1. (Predicción, se repite después del laboratorio) ¿Qué le pasa a Δt cuando d se duplica de 0,80 m a 1,60 m?
2. ¿Qué variable debe mantenerse igual en todas las lecturas?
3. Con d = 1,00 m, ¿cuánto vale Δt?
4. ¿Qué velocidad del sonido da la pendiente de tu gráfica?
5. ¿Por qué es mejor cronometrar 20 intervalos de aplausos que un solo eco?

Respuestas para el docente: (1) Se duplica, de 2,34 a 4,68 ms, porque Δt = d/v. (2) La temperatura del aire. (3) Acepta 2,82–3,00 ms. (4) Acepta 333–353 m/s. (5) El error del tiempo de reacción al poner en marcha y detener el cronómetro se reparte entre 20 intervalos, así que pasa a ser una fracción mucho menor del tiempo medido.

Ideas erróneas frecuentes

• "El tiempo del eco es lo que tarda el sonido en llegar a la pared." El sonido va y vuelve, así que v = 2d/t, no d/t.
• "Los sonidos más fuertes viajan más rápido." La velocidad solo depende del aire y de su temperatura.
• "Basta con una lectura cuidadosa." Con 0,40 m, un error de 0,03 ms es un 2–3 % de Δt; por eso ese punto dio 351 m/s. Las distancias mayores y la pendiente reducen este efecto.

Ampliación

• Temperatura: con d = 1,00 m, pon Temperatura del aire θ en 0, 20 y 40 °C. Δt fue 3,02; 2,92 y 2,82 ms. Con Gráfica en v frente a θ, la recta tuvo una pendiente de 0,59 m/s por °C y una ordenada en el origen de 331 m/s.
• Ultrasonido en fase: en la pestaña Ultrasonido en fase (40 kHz), registra las posiciones en fase de R2 en 0; 8,5; 17,0 … 86,0 mm. El ajuste dio λ = 8,59 mm y v = fλ = 343 m/s.

Preguntas frecuentes

¿Puede el enlace de clase abrirse con los ajustes correctos?

Sí. Se abre por defecto en la pestaña Dos micrófonos. Para asegurarte, pon Método en Dos micrófonos y un osciloscopio en los valores iniciales del enlace, y fija Temperatura del aire θ en 20 °C y Base de tiempo del osciloscopio en 1 ms/div.

¿Obtendrán todos los estudiantes los mismos números?

Casi. Los errores aleatorios usan una semilla: al recargar o pulsar Reiniciar se repite la misma secuencia. Si se aplaude en otro orden, los valores cambian un poco, así que las preguntas 3 y 4 aceptan un intervalo.

¿Por qué no usar una base de tiempo más pequeña?

Con 0,5 ms/div las lecturas son más precisas, pero el pulso B se sale de la pantalla a partir de 1,5 m, más o menos (la simulación lo avisa). Una sola base de tiempo para todas las distancias mantiene el método sencillo.

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