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MANUAL DE PTICA Y FSICA MODERNAKaren Jacqueline Gmez Valenzuela

Unidad Acadmica de Ciencias Qumicas Ingeniera QumicaDocente: M. en C. Mariano Parga Aguilar Semestre Agosto-Diciembre 2010

Manual de ptica y Fsica moderna 2010 NDICE

PRCTICA

PGINA

PRCTICA 1. Naturaleza de la luz PRCTICA 2. Interferencia con dos rendijas PRCTICA 3. Difraccin PRCTICA 4. Ley de reflexin PRCTICA 5. Ley de la refraccin PRCTICA 6. Polarizacin PRCTICA 7. Determinacin experimental

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.. 3 10

...

17 . 27 . 34 . 40

del ndice de refraccin de pelculas delgadas PRCTICA 8. El telescopio PRCTICA 9. El proyector PRCTICA 10. El microscopio compuesto

.. x x x x

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Manual de ptica y Fsica moderna 2010 Prctica 1 La Naturaleza de la Luz

ResumenEn esta prctica observaremos ciertos fenmenos relacionados con la propagacin de la luz y su interaccin con algunos materiales con el fin de determinar su naturaleza, veremos que la luz se propaga en lnea recta y que cuando incide sobre la superficie de un objeto transparente sta se refleja, refracta y dispersa, cambiando su direccin pero conservando su caracterstica de propagarse en lnea recta. Con este fenmeno se har evidente la naturaleza corpuscular de la luz, la ondulatoria se observar por medio de otros fenmenos.

Palabras Claves Luz, Propagacin, Fenmenos pticos, Fuente de luz.

Objetivos 1. 2. Observar la propagacin de luz en lnea recta Usar un rayo trazador para localizar un objeto

Fundamentos Tericos

Naturaleza de la luz Una de las ramas ms antiguas de la fsica es la ptica, ciencia de la luz, que comienza cuando el hombre trata de explicar el fenmeno de la visin considerndolo como facultad anmica que le permite relacionarse con el mundo exterior. Dejando de lado las ideas ms antiguas sobre la naturaleza de la luz, los mximos protagonistas de esta historia son Isaac Newton y Cristian Huygens. Ambos cientficos fueron contemporneos y llegaros a conocerse en 1689. Un ao ms tarde aparece la obra de Huygens, mientras que Newton publica su obra en 1704. en sus obras aparecen las dos teoras clsicas ondulatoria y corpuscular sobre la naturaleza de la luz.

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Manual de ptica y Fsica moderna 2010

Teora Corpuscular Esta teora se debe a Newton (1642-1726). La luz est compuesta por diminutas partculas materiales emitidas a gran velocidad en lnea recta por cuerpos luminosos. La direccin de propagacin de estas partculas recibe el nombre de rayo luminoso. La teora de Newton se fundamenta en estos puntos: y y Propagacin rectilnea. La luz se propaga en lnea recta porque los corpsculos que la forman se mueven a gran velocidad. Reflexin. se sabe que la luz al chocar contra unos espejos se refleja. Newton explicaba este fenmeno diciendo que las partculas luminosas son perfectamente elsticas y por tanto la reflexin cumple las leyes del choque elstico.

Refraccin. El hecho de que la luz cambie la velocidad en medios de distinta densidad, cambiando la direccin de propagacin, tiene difcil explicacin con la teora corpuscular. Sin embargo Newton supuso que la superficie de separacin de dos medios de distinto ndice de refraccin ejerca una atraccin sobre las partculas luminosas, aumentando as la componente normal de la velocidad mientras que la componente tangencial permaneca invariable.

Segn esta teora la luz se propagara con mayor velocidad en medios ms densos. Es uno de los puntos dbiles de la teora corpuscular. Teora Ondulatoria Fue idea del fsico holands C. Huygens. La luz se propaga mediante ondas mecnicas emitidas por un foco luminoso. La luz para propagarse necesitaba un medio material de gran elasticidad, impalpable que todo lo llena, incluyendo el vaco, puesto que la luz tambin se propaga en l. A este medio se le llam ter.

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Manual de ptica y Fsica moderna 2010La energa luminosa no est concentrada en cada partcula, como en la teora corpuscular sino que est repartida por todo el frente de onda. El frente de onda es perpendicular a las direcciones de propagacin. La teora ondulatoria explica perfectamente los fenmenos luminosos mediante una construccin geomtrica llamada principio de Huygens. Adems segn esta teora, la luz se propaga con mayor velocidad en los medios menos densos. a pesar de esto, la teora de Huygens fue olvidada durante un siglo debido a la gran autoridad de Newton.

En 1801 el ingls T. Young dio un gran impulso a la teora ondulatoria explicando el fenmeno de las interferencias y midiendo las longitudes de onda correspondientes a los distintos colores del espectro. La teora corpuscular era inadecuada para explicar el hecho de que dos rayos luminosos, al incidir en un punto pudieran originar oscuridad.

Naturaleza Dual de la Luz A finales del siglo XlX se saba que la velocidad de la luz en el agua era menor que la velocidad de la luz en el aire contrariamente a las hiptesis de la teora corpuscular de Newton. En 1864 Maxwell obtuvo una serie de ecuaciones fundamentales de electromagnetismo y predijo la existencia de ondas electromagnticas. Maxwell supuso que la luz representaba una pequea porcin del espectro de ondas electromagnticas. Hertz confirm experimentalmente la existencia de estas ondas. El estudio de otros fenmenos como la radiacin del cuerpo negro, el efecto fotoelctrico y los espectros atmicos puso de manifiesto la impotencia de la teora ondulatoria para explicarlos. En 1905, basndose en la teora cuntica de Planck, Einstein explic el efecto fotoelctrico por medio de corpsculos de luz que l llam fotones. Bohr en 1912 explic el espectro de emisin del tomo de hidrgeno, utilizando los fotones, y Compton en 1922 el efecto que lleva su nombre apoyndose en la teora corpuscular de la luz. Apareci un grave estado de incomodidad al encontrar que la luz se comporta como onda electromagntica en los fenmenos de propagacin, interferencias y difraccin y como corpsculo en la interaccin con la materia. No hay por qu aferrarse a la idea de incompatibilidad entre las ondas y los corpsculos, se trata de dos aspectos diferentes de la misma cuestin que no solo no se excluyen sino que se complementan.

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Manual de ptica y Fsica moderna 2010Material Riel ptico Pantalla Componente sostenedor de la pantalla Plato ranurado Fuente de luz Componente sostenedor de la tabla de rayos

Desarrollo Experimental Parte l y Armar el equipo mostrado en la figura 1.1 y asegrense de que est listo para la experimentacin. Una vez armado el equipo prender la fuente de luz, tomando en cuenta que anterior a esto se tiene que oscurecer el cuarto en el que se est realizando el experimento. Rote el plato ranurado lentamente sobre el componente sostenedor hasta que las ranuras queden en forma horizontal. Observe la imagen de la ranura sobre la pantalla.

y

Figura 1.1 Equipo para Experimentacin ptica

Parte ll y Puedes usar el hecho de que la luz se propaga en lnea recta para medir la distancia entre el filamento de la fuente de luz y el centro de la tabla de rayos. La figura 1. 2 muestra esto. Los rayos sobre la tabla se originan a partir del filamento de la fuente de luz. Dado que la luz viaja en lnea recta necesitas solamente extender los rayos hacia atrs para localizar el filamento (etapa 3 en la primera parte de este experimento).

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Manual de ptica y Fsica moderna 2010Parte lll y Sustituya el plato como se muestra en la figura 1.1, rote el plato ranurado lentamente sobre el componente sostenedor hasta que las ranuras queden en forma horizontal, observe la imagen que proyecta sobre las ranuras la fuente de luz.

Parte lV y Ponga una hoja blanca sobre la superficie de la tabla de rayos, sujetndola con la pantalla. Haga una marca de referencia sobre el papel en la posicin del centro de la tabla de rayos. Use un lpiz y una regla, trace los bordes de varios de los rayos sobre el papel. Remueva el papel. Use el lpiz y la regla para extender cada uno de los rayos. Trace entonces un punto comn de interseccin (puede necesitar una hoja adicional). Etiquete el filamento y el centro de la tabla de rayos sobre su diagrama.

y

Resultados

Parte l

1.

Los rayos son en lnea recta? En esta parte del proceso los rayos siempre se reflejaron en forma rectilnea, pues las fuentes luminosas como las que usamos emiten corpsculos livianos que siempre se van a comportar as, en forma rectilnea.

2.

Se puede distinguir el ancho de cada rayo variando la distancia del plato ranurado a la fuente de luz? El ancho de los rayos se puede distinguir, siempre y cuando el plato ranurado se encuentre lo bastante lejos de la fuente luz, pues si este se encuentra cerca se juntan tanto que no se puede distinguir con claridad el ancho de estos.

3.

Cundo dos rayos se comportan como paralelos? Cuando estos estn ms alejados de la fuente de luz, se tornan rectos y una vez que se acercan se van inclinando.

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Manual de ptica y Fsica moderna 2010Parte ll

1.

Cmo hace que se distinga el ancho de las ranuras de la imagen proyectada? Este se torna ms grueso, esto a causa del ngulo que deja entrar la luz en la ranura.

2.

Para qu posicin de la placa ranurada se distingue ms la imagen? Para cul se distingue menos? Se distingue mas para vertical pues el entra en lnea recta por tanto es ms fcil ver los rayos y se distingue menos para la posicin horizontal.

3.

Diagrama que muestra que el ancho de la ranura depende de la orientacin del filamento del bulbo de la luz.

Parte lll

1.

Mida la distancia entre su marca de referencia y el punto de interseccin de los rayos. Cul es?

2.

Use la escala mtrica del riel ptico para medir la distancia entre el filamento y la tabla de rayos directamente. Cul es la distancia?

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Manual de ptica y Fsica moderna 20103. Qu