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Refracción, difracción e intereferencia

Refracción, difracción e intereferencia

Los fenómenos ópticos están presentes en todos los ámbitos de la vida: desde que nos despertamos por la mañana y miramos por la ventana, hasta los aparatos electrónicos que utilizamos cada día. En este artículo introduciremos los temas de difracción, refracción e interferencia en las ondas. Estos procesos ocurren en las ondas que se mueven de un medio a otro y que tienen diferentes índices de refracción, cualidad que también vamos a explicar.

¿Qué es la refracción de las ondas?

Cuando una onda viaja de un medio a otro atravesando una interfase entre ambos, una parte de la onda se refleja y otra se transmite al segundo medio. La onda transmitida está sujeta a refracción. Observamos la refracción dentro del mismo medio, si la velocidad de la onda cambia al viajar por él.

La refracción es el fenómeno óptico en el que las ondas cambian de velocidad y dirección cuando pasan de un medio a otro con distinto índice de refracción.

Refracción, difracción e interferencia Refracción StudySmarterFig. 1: Representación de una onda llegando a un límite entre dos medios.

Refracción de ondas en un medio

El medio se refiere al espacio en el que se mueven las ondas, que puede ser el agua (por ejemplo, las olas del océano), la tierra (por ejemplo, las olas de un terremoto) o el aire (por ejemplo, las ondas sonoras), entre otros. Las ondas se mueven con una determinada velocidad \(c\) en el vacío; pero, como esta puede variar, en ese caso se genera un cambio de dirección.

A continuación, veremos ejemplos cotidianos de refracción:

La velocidad del sonido cambia cuando el aire está más frío o más caliente. En un día frío, cuando el aire por encima de la ciudad es más cálido, el sonido comenzará a moverse más rápido en la capa superior. La curva producirá una onda sonora secundaria que llegará hasta ti, y el sonido se amplificará.

Al entrar en aguas poco profundas, las ondas parecen curvarse, lo que se debe a la profundidad. La velocidad de las ondas de agua depende de la profundidad: a menor profundidad, las olas se ralentizarán y provocarán una aparente curvatura.

Si intentas alcanzar algo en un cuenco de agua mirándolo desde arriba, el objeto parecerá estar en una posición diferente cuando tu mano lo alcance. Esta disparidad entre la posición de los objetos está causada por la forma en que las ondas de luz cambian su velocidad y alteran la forma en que vemos los objetos por debajo del agua.

Refracción, difracción e interferencia Diferencia de refracción entre el agua y el aire StudySmarter Fig. 2: La refracción de la luz a través del agua hace que las cosas parezcan estar en un lugar diferente del que realmente están.

Curvatura de un frente de onda

  1. Como hemos visto antes, las ondas no se doblan realmente, aunque pueda parecerlo.
  2. Cuando un frente de onda \(A\) se mueve del medio 1 al medio 2, la velocidad de este frente cambia de \(v_1\) a \(v_2\).
  3. El cambio de medio hace que las partículas se muevan más lento/rápido. Esto que el frente de onda varíe su posición.
  4. El retraso provoca una curvatura aparente.

Refracción, difracción e interferencia Curvatura de un frente de onda StudySmarterFig. 3: El proceso de curvatura de la luz en el agua se explica por la reducción de la velocidad de la luz de \(v_1\) a \(v_2\) tras entrar en el agua.

¿Qué es el índice de refracción?

El índice de refracción (símbolo \(n\)) es la relación entre las velocidades de las ondas. Este nos dice cuanto más rápido o más lento se moverá una onda al pasar de un medio a otro.

El índice de refracción nos dice dos cosas principales sobre una onda que se mueve a través de dos medios:

  1. Un índice de refracción mayor que otro nos dice que la onda se moverá más lentamente después de cruzar al nuevo medio.
  2. Un índice de refracción menor que otro nos dice que la onda se moverá más rápido después de cruzar al nuevo medio.

Ley de Snell

La ley de Snell es otra relación importante para el índice de refracción \(n\). Establece que la relación entre el índice de refracción y el ángulo de incidencia \(\theta\) en la interfase son proporcionales:

\[n_1\cdot\sin(\theta_1)=n_2\cdot\sin(\theta_2)\]

Cálculo del índice de refracción

El índice de refracción \(n\) de un medio viene dado por la relación entre la velocidad de la luz \(c\) en el vacío y su velocidad de fase \(v\) en el medio. La velocidad de fase es la longitud de onda \(λ\) sobre el periodo de tiempo \(T\):

\[\begin{align} n&=\dfrac{c}{v} \\\\ v&=\dfrac{\lambda}{T}\\\\n&=\dfrac{cT}{\lambda}\end{align}\]

\(n\) se conoce aquí como índice de refracción absoluto, para distinguirlo de un valor obtenido utilizando otro medio como referencia en lugar del vacío; por ejemplo, el aire.

¿Qué es la difracción de las ondas?

La difracción en las ondas se debe a la interacción con un obstáculo en su trayectoria.

El efecto se produce en los bordes del objeto o la abertura que encuentra la onda. La difracción puede variar mucho en función del tamaño del obstáculo. Para calcular la difracción de una onda podemos usar la siguiente fórmula:

\[d\sin(\theta)=n\lambda ,\]

Donde:

  • \(d\) es la distancia entre las aperturas
  • \(\theta\) es el ángulo de difracción
  • \(n\) es el orden del máximo
  • \(\lambda\) es la longitud de la onda.

En función de lo que queremos calcular, podemos usar esta fórmula de una forma u otra.

El efecto borde y el principio Huygens-Fresnel

Se trata de un método de análisis de la propagación del campo cercano y lejano. Para entenderlo, piensa que una línea es un número infinito de puntos situados en una dimensión, un plano está formado por infinitos puntos en dos dimensiones y podemos describir cada superficie por ejemplo, el frente de onda genérico como una multitud de puntos.

Este método establece que cada punto produce una (diminuta) onda esférica, por lo que el frente de onda es la superposición de todas esas (diminutas) ondas. Cuando una onda choca con un obstáculo, los puntos próximos a los bordes del obstáculo o la abertura hacen que el frente de onda se extienda, de modo que el obstáculo es la fuente de una nueva onda.

Refracción, difracción e interferencia El efecto Huygens Fresnel StudySmarterFig. 4: El efecto Huygens-Fresnel se observa cuando un frente de onda pasa por una pequeña abertura y únicamente una parte del frente de onda cruza y crea otra fuente de ondas.

Dispersión de Rayleigh

Dos partículas interactuarán con una onda como objetos separados cuando la longitud de onda es menor que dos veces la distancia entre ellos; en elcaso contrario, la onda se comportará como un conjunto.

Esto significa que cuanto menor sea la frecuencia, mayor será el objeto que pueda alterar el frente de onda y detenerlo. Un objeto menor que la mitad de la longitud de onda será engullido por el frente de onda.

Refracción, difracción e interferencia Dispersión de Rayleigh StudySmarterFig. 5: La onda de la izquierda pasa el pequeño obstáculo sin ninguna modificación, ya que el obstáculo es menor que la mitad de su longitud de onda. El obstáculo de la derecha modifica la onda, ya que es mayor que la mitad de su longitud de onda.

¿Qué es la interferencia de ondas?

Cuando dos ondas chocan, pueden superponerse una sobre otra de forma constructiva o destructiva, lo cual da lugar a patrones diferentes como resultado de la interacción. Esto se conoce como interferencia.

En el primer caso, las amplitudes de las ondas se sumarán; mientras que en el segundo, se restarán una cantidad.

Interferencia constructiva y destructiva

El fenómeno de la interferencia entre dos ondas hace que se resten o se sumen, dependiendo de si la interferencia es destructiva o constructiva.

Si, por ejemplo, las ondas tienen la misma frecuencia y amplitud, pero hay una diferencia de \(180º=\pi\) en sus fases, entonces se anularán entre sí, porque cada cresta coincidirá con un valle. Este sería un caso de interferencia destructiva. Si la fase de una de las ondas se desplaza, el patrón de interferencia cambiará, ya que la cantidad de la superposición variará.

Por otro lado, si las ondas no están desfasadas y sus crestas y valles coinciden, estas se sumarán dando lugar a una onda con una amplitud mayor. Este sería un caso de interferencia constructiva.

Refracción, difracción e interferencia Interferencia constructiva y destructiva StudySmarter

Fig. 6: Superposición de onda. A la izquierda (\(A\))- suma de ondas, cuando las ondas tienen sus fases a \(0º\) de diferencia y tienen la misma amplitud y frecuencia. A la derecha \((B)\)- resta de ondas, cuando las ondas tienen una diferencia de fase de \(180º\) y se anulan entre sí.

Refracción, difracción e interferencia - Puntos clave

  • Cuando una onda pasa por la interfaz entre dos materiales diferentes, la refracción hace que su velocidad cambie, debido a la dirección de propagación.
  • La difracción es la propagación de un frente de onda que se produce cuando una onda encuentra un obstáculo o una abertura en su camino.
  • La interferencia es el resultado de la superposición de dos o más ondas que se propagan por el mismo camino.

Preguntas frecuentes sobre Refracción, difracción e intereferencia

  • La reflexión se produce cuando una onda rebota en una superficie, saliendo con el mismo ángulo que el de incidencia respecto a la normal de la superficie.
  • La difracción en las ondas se produce debido a la interacción con un obstáculo en su trayectoria.
  • La refracción es el fenómeno óptico en el que las ondas cambian de velocidad y dirección cuando pasan de un medio a otro con distinto índice de refracción.

Son tres fenómenos ópticos distintos. 

  • En la reflexión, la onda se queda en el mismo medio y rebota en la superficie con el mismo ángulo de incidencia.
  • Cuando se transmite a otro medio, esta onda se refracta, adquiriendo una velocidad distinta (siempre que el índice de refracción sea distinto) y con un ángulo distinto. 
  • Para la difracción necesitamos una rendija, teniendo un nuevo frente de onda cuando la onda inicial pase a través de esta. 

Si las ondas no están desfasadas y sus crestas y valles coinciden, estas se sumarán y darán lugar a una onda con una amplitud mayor; esta es una interferencia constructiva


Un ejemplo de interferencia de onda constructiva es cuando se usan distintos altavoces y se consigue que se escuche más alto en un punto. 

Si las ondas tienen la misma frecuencia y amplitud, pero hay una diferencia de 180º= π en sus fases, entonces se anularán entre sí, porque cada cresta coincidirá con un valle; esta es una interferencia destructiva.

Para calcular la difracción de una onda, podemos usar la siguiente fórmula: 

d·sin(θ)=nλ.

Cuestionario final de Refracción, difracción e intereferencia

Pregunta

¿Qué es el efecto doppler?

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Answer

El cambio aparente de longitud de onda en una onda emitida por un objeto en movimiento.

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Pregunta

¿Qué ocurre con el sonido cuando un emisor se acerca al observador?

Mostrar respuesta

Answer

El tono se hace más alto.

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Pregunta

¿Qué ocurre con el sonido cuando un emisor se aleja del observador?

Mostrar respuesta

Answer

El tono se mantiene igual.

Show question

Pregunta

Una onda se mueve a 10.000 m/s y el emisor se aleja del observador a 20 000 m/s. La velocidad del observador es 0. La frecuencia de la onda es de 100 Hz. 


¿Cuál es la frecuencia percibida de la onda por el observador?

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Answer

33,33 Hz.

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Pregunta

Una onda se mueve a 10 000 m/s y el emisor se aleja del observador a 20 000 m/s. La velocidad del observador es 0. La frecuencia de la onda es de 50 Hz. 


¿Cuál es la frecuencia percibida de la onda por el observador?

Mostrar respuesta

Answer

16,67 Hz.

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Pregunta

¿Qué son las transformaciones de Lorentz?

Mostrar respuesta

Answer

Las transformaciones de Lorentz son un conjunto de ecuaciones que trazan coordenadas geométricas y temporales de un sistema espacial a otro.

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Pregunta

Un observador se desplaza a Alfa Centauri A, a un 66% de la velocidad de la luz, utilizando un motor experimental. 


Si consideramos que Alfa Centauri A tiene una temperatura similar a la del Sol y suponemos un pico de emisión (frecuencia de la luz) cercano al pico del Sol de 343 THz, calcula la frecuencia percibida por el observador.

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Answer

757 THz.

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Pregunta

¿Qué ocurre en el efecto doppler relativista?

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Answer

La dilatación del tiempo y la contracción de la longitud alteran las frecuencias percibidas.

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Pregunta

¿Verdadero o falso?: Edwin Hubble descubrió que la luz de las galaxias lejanas se desplazaba hacia el azul. 

Mostrar respuesta

Answer

Falso: Edwin Hubble descubrió que la luz de las galaxias lejanas se desplazaba hacia el rojo. 

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Pregunta

¿Verdadero o falso?: Cuando una emisión de luz se aleja a altas velocidades, la luz se desplaza al rojo. 

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero: cuando una emisión de luz se aleja a altas velocidades, la luz se desplaza al rojo.

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Pregunta

¿La luz o el sonido tienen longitudes de onda?

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Answer

Sí, tanto la luz como el sonido tienen longitudes de onda. 

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Pregunta

¿Afecta la relatividad al efecto Doppler?

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Answer

Sí, la relatividad afecta al efecto Doppler.

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Pregunta

¿Sí o no?: El desplazamiento al rojo, observado por Hubble, no depende de la dirección observada. 

Mostrar respuesta

Answer

Sí, significa que el universo se expande en todas las direcciones.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: El radar utiliza el efecto Doppler para su funcionamiento. 

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero: gracias al efecto Doppler, un radar es capaz de calcular la velocidad de un objeto en movimiento. 

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Pregunta

Si sumamos dos ondas idénticas, ¿cuál de las siguientes cosas ocurrirá?

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Answer

La amplitud resultante se duplicará.

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Pregunta

Si dos ondas con las mismas amplitudes están en oposición de fase, ¿cuál será su amplitud resultante?

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Answer

Infinito.

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Pregunta

Cuando dos ondas en oposición de fase interfieren entre sí, ¿qué tipo de interferencia se produce?

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Answer

Interferencia constructiva.

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Pregunta

Cuando la propagación se produce a lo largo de dos o más dimensiones, dos ondas interfieren y crean:

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Answer

Un patrón de interferencia.

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Pregunta

¿Cuál de las siguientes es una definición correcta de la frecuencia de una onda?

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Answer

Es el tiempo que tarda una onda en pasar por un punto determinado.

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Pregunta

Cuando dos o más ondas se superponen en un punto, el desplazamiento total causado en ese punto es la suma de los desplazamientos individuales causados por las ondas en ese punto.

¿Cómo se llama este fenómeno?

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Answer

Superposición.

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Pregunta

¿Cuáles son las tres características que describen una onda?

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Answer

Amplitud, frecuencia y fase.

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Pregunta

¿Verdadero o falso?: La interferencia no depende de la fase. 

Mostrar respuesta

Answer

Falso; de hecho, el desfase entre las ondas nos dice si la interferencia es constructiva o destructiva.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: Solo tenemos interferencias en ondas que se desplazan en una dimensión. 

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Answer

Falso: tenemos interferencias en dos y tres dimensiones, también. 

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: Cuando lanzamos dos rocas en el agua, una cerca de la otra, las ondas que generan producirán un patrón de interferencia. 

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Answer

Verdadero.

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Pregunta

Si dos ondas sinusoidales de la misma amplitud, frecuencia y fase interfieren, ¿la onda resultante tiene una fase diferente?


Mostrar respuesta

Answer

No, tendrá la misma fase. 

Show question

Pregunta

¿Qué ocurre cuando la interferencia no es completamente constructiva o destructiva?

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Answer

La onda resultante tiene una amplitud y una fase diferentes a las de las dos ondas que han interferido.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: Las interferencias constructivas y destructivas en ondas sonoras producen que haya puntos donde el volumen sea más alto o más bajo. 

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

En el patrón de interferencia que obtenemos si realizamos el experimento de la doble rendija, ¿qué representan las zonas oscuras? 

Mostrar respuesta

Answer

Interferencias destructivas.

Show question

Pregunta

En el patrón de interferencia que obtenemos si realizamos el experimento de la doble rendija, ¿qué representan las zonas brillantes? 


Mostrar respuesta

Answer

Interferencias constructivas.

Show question

Pregunta

¿Qué tipo de obstáculos consideramos al estudiar la difracción?

Mostrar respuesta

Answer

Aperturas y obstáculos que no permiten pasar la onda a través de ellos. 

Show question

Pregunta

¿Cuál es el efecto de los bordes de los obstáculos en la dirección de propagación?

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Answer

Los bordes de un objeto hacen que la onda genere frentes de onda circulares.

Show question

Pregunta

¿Cuál es otro fenómeno conocido que interviene en la difracción?

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Answer

La interferencia.

Show question

Pregunta

¿Cómo se relaciona la interferencia con la difracción?

Mostrar respuesta

Answer

El obstáculo crea cambios de fase que generan interferencias constructivas y destructivas.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: Si un obstáculo es menor que la longitud de onda, esto afecta a la propagación. 

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: Cuando hay un obstáculo en el camino de una onda no se produce difracción. 


Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

¿Puedes explicar el efecto borroso que podemos observar tras un obstáculo?


Mostrar respuesta

Answer

Cuanto mayor sea la longitud de onda, más lenta será la transición entre un máximo y un mínimo. Después del objeto, esto se traduce en un efecto borroso.

Show question

Pregunta

Se ha producido un cambio de fase. ¿Qué significa esto?

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Answer

Significa que hay una desalineación de las crestas y los valles de la onda.

Show question

Pregunta

¿Qué característica del objeto afecta a la difracción?

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Answer

Su anchura.

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Pregunta

La difracción de Fresnel se da cuando la rendija está ____ de la pantalla 

Mostrar respuesta

Answer

Cerca.

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Pregunta

¿Qué otro nombre recibe la difracción de Fraunhofer?

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Answer

Difracción de campo lejano.

Show question

Pregunta

¿Cómo llegan los frentes de onda a la pantalla en la difracción de Fraunhofer ?

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Answer

Paralelos.

Show question

Pregunta

Cuando las ondas sonoras pasan alrededor de un obstáculo como una columna, ¿llegarán con más o menos intensidad al oyente?

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Answer

Más intensidad.

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Pregunta

Nombra algunos ejemplos de difracción.

Mostrar respuesta

Answer

La luz pasando a través de una ventana en una habitación oscura, las ondas de WiFi en una casa, las ondas del agua chocando con una piedra, etc. 

Show question

Pregunta

¿Cuántos tipos distintos de ondas electromagnéticas existen?

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Answer

Existen siete tipos principales de ondas electromagnéticas: 

  1. Ondas de radio. 
  2. Microondas. 
  3. Radiación infrarroja.
  4. Luz visible.
  5. Luz ultravioleta.
  6. Rayos X. 
  7. Radiación gamma.

Show question

Pregunta

Todas las diferentes ondas electromagnéticas se denominan: 

Mostrar respuesta

Answer

Luz visible.

Show question

Pregunta

 ¿Verdadero o falso?: Podemos ver los rayos X.

Mostrar respuesta

Answer

Falso: únicamente podemos ver una pequeña parte del espectro electromagnético, llamada luz visible. 

Show question

Pregunta

¿Cuál es la principal diferencia entre las ondas electromagnéticas y las ondas mecánicas?

Mostrar respuesta

Answer

Que no necesitan un medio para propagarse.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes es una aplicación de las microondas?

Mostrar respuesta

Answer

La comunicación.

Show question

Pregunta

¿Qué transportan las ondas electromagnéticas de un lugar a otro?

Mostrar respuesta

Answer

Las ondas electromagnéticas, al igual que otras ondas, transportan energía de un lugar a otro. 

Show question

Pregunta

Todos los tipos de ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad en el vacío: ¿verdadero o falso? 

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero: viajan a \(3\cdot 10^8\,\,\mathrm{m/s}\).

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