LuzClase 3 Física

Naturaleza de la luzTeoría corpuscular Teoría ondulatoria Teoría de los cuantos

Naturaleza dual

Formuló que la luz estaba formada por pequeños corpúsculos

emitidos por los cuerpos luminosos que podían penetrar las sustancias

transparentes y reflejarse en las superficies de los cuerpos opacos.

(Isaac Newton)

Se utilizó para explicar la propagación rectilínea de la luz.

Asumió que la luz estaba formada por ondas,

explicando en ese entonces los fenómenos de reflexión,

refracción y doble refracción recientemente descubierto, entrando en contradicción

con Newton.

(Christian Huygens)Al ser imposible explicar un nuevo fenómeno luminoso, esta teoría

confirmada y ampliada por Einstein. Considera que la

energía transportada por una onda transversal

electromagnética no está distribuida en forma continua,

sino que en corpúsculos energéticos (fotones).

(Max Planck)

Finalmente se concluyó que la luz presenta naturaleza dual, ya que cuando se propaga se comporta como una onda transversal electromagnética; pero al

interaccionar con la materia presenta carácter corpuscular.

Fenómenos de la luz: ReflexiónLa luz viaja en li nea recta y a una velocidad de 300.000 km/s en el vaci o, se considera como la velocidad maxima en el Universo conocido.

1. El ángulo de incidencia de cada rayo luminoso es igual al ángulo de reflexión, con respecto a la recta norma (N), ya sea que se trate de una reflexión difusa o especular.

2. Tanto el rayo incidente, como el rayo reflejado y la normal están en un mismo plano

Hay leyes físicas que describen el fenómeno de reflexión de la luz:

Existen 2 tipos de reflexión especular y difusa, lo cual depende de qué tan lisa y suave sea la superficie donde inciden los rayos luminosos.

Cuando un rayo luminoso llega a la superficie de un medio de distinta densidad, puede ser transmitido a trave s de e l y/o reflejado.

𝛼1 𝛼2Rayo incidente Rayo reflejado

Según la ley de la reflexión se cumple que 𝛼1 = 𝛼2

Reflexión especular

Solo la reflexión especular es capaz de producir imágenes, las cuales se forman donde se cruzan los rayos reflejados, para el caso de

imágenes reales y en sus prolongaciones en el caso de las imágenes virtuales.

Cuando la luz llega en forma de rayos paralelos

incidiendo sobre una superficie plana y muy

lisa, los rayos reflejados son también paralelos.

Si la superficie es rugosa, los rayos reflejados salen en

todas las direcciones, porque la normal en diferentes

puntos puede ser distinta.

Reflexión difusa

1Este principio es otra forma de expresar la ley de reflexión, el cual dice que un rayo de luz al viajar de un punto a otro, siempre lo hará por el camino que le tome menos tiempo.

El principio de Fermat y la ley de reflexión

Fenómenos de la luz: RefracciónLa velocidad de propagación de la luz depende de la naturaleza del medio en el que se propaga.

Se ha comprobado que si un rayo luminoso pasa de un medio a otro, incidiendo oblicuamente sobre la superficie de separación de ambos medios, experimenta un cambio de dirección en su desplazamiento. Si la incidencia es perpendicular, el rayo se propaga sin cambiar de dirección.

Refringencia o poder refrigerante: Propiedad que caracteriza a los medios transparentes, lo cual puede generar cambios de velocidad y dirección, en el desplazamiento de la luz.

El índice de refracción absoluto de un medio da una medida cuantitativa de su refringencia, de tal forma que, comparando dos medios, tendrá mayor poder refringente el que tenga un mayor índice de refracción

El fenómeno debido a la refringencia se denomina refracción, por lo cual un haz luminoso experimenta refracción al pasar de un medio a otro, de distinto índice de refracción absoluto o refringencia. Al ocurrir esto cambia la velocidad y la dirección de propagación.

Experimentalmente pueden establecerse leyes que rigen este proceso:

1. El rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en un mismo plano.

2. Ley de Snell: “la razón entre los senos de los ángulos de incidencia y de refracción es constante para un mismo par de medios”

n1 ! sen𝜃1= n2 ! sen 𝜃2 = cte

por otra parte:

siendo v1 y v2 las velocidades de la luz en los medios de índice de refracción n1 y n2, respectivamente

!!!"

= """!

Índice de refracción absoluto en algunas sustancias

Agua 1,3

Alcohol etílico 1,36

Glicerina 1,46

Bencina 1,51

Diamante 2,42

Vidrio ordinario 1,50

Cristal 1,60

Hielo 1,31

Aire 1,00029

IMPORTANTE:

la velocidad de la luz en un medio (de i ndice de refraccion absoluto n) esta dada por

donde c = 3·108 m/s (velocidad de la luz en el vaci o)

V= !"

Ley de SnellConclusiones importantes

- Si un rayo luminoso, pasa oblicuamente de un medio de menor i ndice de refraccion absoluto a otro de mayor i ndice de refraccion absoluto, se refracta acercandose a la normal.

- Si un rayo luminoso pasa oblicuamente de un medio de mayor i ndice de refraccion absoluto a otro de menor i ndice de refraccion absoluto, se refracta alejandose de la normal.

n2

n1

superficie

Rayo incidente

Rayo refractado

LíneaNormal

θ2

θ1

Ángulo LímiteSi un rayo luminoso pasa oblicuamente de un medio de mayor i ndice de refraccion absoluto a otro de menor i ndice de refraccion absoluto, se refracta alejandose de la normal.Entonces, a medida que el angulo de incidencia se va haciendo mas grande, el angulo de refraccion puede llegar a crecer tanto que el rayo refractado emerja por la superficie de separacion con un valor de 90°.

Ángulo li mite = el angulo de incidencia para el cual el angulo de refraccion vale 90°.

Ángulo li mite de la sustancia= Si el segundo medio es el aire o el vaci o, el angulo li mite es caracteri stico de la sustancia.

Reflexion interna total = Si la luz incide en la superficie de separacion de dos medios desde el medio de mayor i ndice de refraccion con un angulo mayor que el angulo limite.

n2

n1

Aire

Agua

RayoRefractado

Ángulo críticoReflexión interna

totalθ2

θ2θ1

θ1θc

Refracción en la atmósfera terrestreUn ejemplo de esta refracción es la luz que viene de los astros y tiene que cruzar laatmósfera (son capas de aire de densidades e índices de refracción que van enaumento), este rayo de luz cuando cruza la atmósfera de manera oblicua, pasa porvarias refracciones.

Una persona verá el astro en la dirección del último rayo refractado, por eso, el astropareciese estar a más altura en el horizonte de lo que de verdad está; por eso lasestrellas no se ven en su verdadera posición, a menos que se encuentren en el cenit:posición vertical al observador.

El espejismo es un fenómeno terrestre de refracción en la atmósfera y reflexión total,esto se da mucho en los desiertos y caminos cuando hace mucho calor. Esto seproduce porque las capas de aire al calentarse y ponerse en contacto con la tierra,crea una baja en la densidad e índice de refracción de las capas, teniendo entoncesmenos densidad e índice de refracción, por lo que se crea la ilusión de agua, pero enrealidad es el reflejo del cielo

DispersiónLa mayor parte de los haces luminosos estan formados por mezclas de rayos. Cada rayo corresponde a una longitud de onda distinta. Esto trae consigo que cuando un haz luminoso pasa de un medio a otro, no todos los rayos van a ser refractados con el mismo angulo. Mientras que la velocidad, en el vaci o, es la misma para todas las longitudes de onda, no es igual cuando se esta en un medio material, ya que cada rayo tiene una velocidad distinta. Debido a que el medio material le presenta un mayor i ndice de refraccion a los rayos con menor longitud de onda y al revés.

Podemos decir que la velocidad del rayo dependera de su longitud de onda. Un medio produce dispersion cuando presenta esta propiedad.

Un ejemplo de esto se puede observar en un prisma. Si se

hace incidir un rayo de luz blanca se obtendra n una serie

de colores en la otra cara. Al conjunto de colores que se

consigue, comúnmente se le llama espectro.

Violeta

Rojo

Ángulo de desviación

Luz blanca o luz del sol

El color y la longitud de ondaSe interpreta cada color como una onda con "longitud de onda" caracteri stica. La longitud de onda y la velocidad de la luz en el medio estan relacionados.

λ= !"

λ = Longitud de ondav = Velocidadf = Frecuencia

Tabla de las longitudes de onda para distintos colores

Color Longitud de onda (x 10-10 m)

Rojo 6500

Anaranjado 6000

Amarillo 5800

Verde 5200

Azul 4700

Violeta 4100

El color y el índice de refracciónConclusiones de lo anterior:

- El vidrio, si descompone la luz en colores, es un medio dispersivo.- Midiendo los angulos de cada color y aplicando la ley de Snell es posible calcular sus i ndices de refraccion en el medio, y con ello, sus velocidades de propagacion.

El color menos desviado es el rojo y el mas desviado el violeta. En ese mismo orden decrecen las longitudes de onda de modo que a mayor longitud de onda corresponde menor desviacion

IMPORTANTE: a mayor longitud de onda, una misma sustancia ofrece menor i ndice de refraccion

Espectro electromagnéticoEs el conjunto de ondas electromagne ticas.

Glosario

Espectro electromagnéticoDispersión

Índice de refracción

Ángulo límite

Ley de SnellMedio opaco Medio

transparente

Reflexión total interna

cuando una onda incide sobre una superficie, transparente a la luz, con un angulo mayor que el angulo limite, el rayo de luz no se

refracta, solo se refleja. Este feno meno solo puede ocurrir cuando la luz viene desde un

medio de mayor indice de refraccio n y se dirige hacia uno de

menor indice.

Al feno meno de separacio n de la luz en los distintos colores de acuerdo a su

longitud de onda, se le llama dispersio n y ocurre cuando por ejemplo la luz blanca o del Sol entra a un prisma.

Este espectro nos muestra como se ordenan las ondas, ya sea considerando sus

frecuencias o sus longitudes de onda. Ubicandose en un extremo las ondas de radio

y en el otro extremo los rayos gamma.

se obtiene como el cociente entre la rapidez de la luz en el vacio y la

rapidez de la luz en el medio que se propaga, por lo tanto es

adimensional. Si bien los distintos medios transparentes, en general mientras mas densos son, el indice

aumenta. Tambien el indice depende de la longitud de onda de la onda incidente, ya que a menor

longitud de onda mayor es el indice de refraccio n y viceversa.

Esta es la ley fundamental para la refraccio n y

establece la relacio n entre los indices de refraccio n de

ambos medios transparentes y los

angulos con los cuales llega y sale la luz. Se escribe

como n1·sen θ1 = n2·sen θ2

son aquellos materiales que no permiten el paso

de la luz a traves de ellos, ya que la luz que

les llega es absorbida y no se reemite.

son aquellos medios que permiten el paso de la luz a traves de ellos.

Principio de Fermatcuando la luz se propaga de un punto a otro,

sigue la trayectoria que le toma menos tiempo.

ocurre cuando la luz pasa de un medio de mayor indice de refraccio n a otro de menor indice de refraccio n.

Ejercicios

1A) no cambia.B) disminuyeenunde cimo.C) aumenta en un de cimo.D) disminuye en dos de cimos.E) aumenta en dos de cimos.

1. Cuando una onda electromagne tica pasa de un medio a otro, disminuye su longitud de onda en un de cimo, entonces el periodo de la onda

12. Cuando un haz de luz pasa del vidrio al aire, se puede afirmar que

A) Su velocidad disminuyeB) Su longitud de onda disminuyeC) Su frecuencia permanece constanteD) Su amplitud de onda aumentaE) Siempre se dispersa al haz de luz

1A) dispersion y reflexion.B) difraccion y reflexion.C) difraccion y refraccion.D) reflexion y refraccion.E) dispersion y refraccion.

3. En la figura se representa una onda que pasa de un medio a otro. Respecto a la figura es correcto decir que los fenomenos que se observan son

β

α α