ONDAS III

LA AMPOLLETA

Thomas Alva Edison, el menor de cuatro hermanos, nació el 11 de febrero de 1847, enMilan, una pequeña población de Ohio. Cumplidos los diez años, el pequeño Thomas instalósu primer laboratorio en los sótanos de la casa de sus padres y aprendió él solo losrudimentos de la química y la electricidad.Un cilindro, un diafragma, una aguja y otros útiles menores le bastaron para construir enmenos de un año el fonógrafo, el más original de sus inventos, un aparato que reunía bajoun mismo principio la grabación y la reproducción sonora.El propio Edison quedó sorprendido por la sencillez de su invento, pero pronto se olvidó de ély pasó a ocuparse del problema del alumbrado eléctrico, cuya solución le pareció másinteresante. «Yo proporcionaré luz tan barata -afirmó Edison en 1879- que no solo los ricospodrán hacer arder sus bujías.» La respuesta se encontraba en la lámpara deincandescencia. Se sabía que ciertos materiales podían convertirse en incandescentescuando a un globo, privado de aire, se le aplicaba corriente eléctrica. Solo restaba encontrarel filamento más adecuado. Es decir, un conductor metálico que se pudiera calentar hasta laincandescencia sin fundirse, manteniéndose en este estado el mayor tiempo posible.La primera de sus lámparas estuvo lista el 21 de octubre de 1879. Se trataba de unabombilla de filamento de bambú carbonizado, que superó las cuarenta horas defuncionamiento ininterrumpido. La noticia del hecho hizo caer en picada las acciones de lascompañías de alumbrado de gas. La actividad de este genial inventor se prolongó más alláde cumplidos los ochenta años, completando la lista de sus realizaciones tecnológicas hastatotalizar las 1.093 patentes que llegó a registrar en vida.

Como se puede apreciar al observar una lámpara incandescente normal, ésta posee unaestructura extremadamente sencilla. Consta de una bombilla de cristal, un casquillometálico con rosca y un borne en su extremo, aislado del casquillo. Tanto el casquillo comoel borne permiten la conexión a los polos negativo y positivo de una fuente de corrienteeléctrica. Lo más común es conectar la parte del casquillo al polo negativo y el borne al polopositivo de la fuente. Dos alambres están soldados, uno al casquillo y el otro al borne. Estosalambres se introducen por un tubito de vidrio y al salir por el otro lado se unen estosalambres por medio de un filamento de tungsteno.La bombilla de cristal se sella al vacío y en su interior se inyecta un gas inerte como, porejemplo, argón (Ar), que ayuda a prolongar la vida del filamento.Cuando las cargas eléctricas atraviesan atropelladamente el metal del filamento de unalámpara incandescente, provocan que la temperatura del filamento se eleve a 2.500 ºCaproximadamente. A esa temperatura tan alta los electrones que fluyen por el metal detungsteno comienzan a emitir fotones de luz blanca visible, produciéndose el fenómeno físicode la incandescencia.

C U R S O: FÍSICA COMÚN

MATERIAL: FC-04

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Naturaleza de la luz

Teoría corpuscular: fue enunciada por Sir Isaac Newton (aproximadamente en 1666),quien formula que la luz estaba formada por pequeños corpúsculos (partículas) emitidos porlos cuerpos luminosos que podían penetrar las sustancias transparentes (fenómenos derefracción: obedecía las leyes de la mecánica) y reflejarse en las superficies de los cuerposopacos (fenómenos de reflexión). Se utilizó para explicar la propagación rectilínea de la luz.

Teoría ondulatoria: iniciada por Christian Huygens, quien asumía que la luz estabaformada por ondas, explicando en ese entonces (1668 aproximadamente publicó su teoría)los fenómenos de reflexión, refracción y doble refracción recientemente descubierto,entrando en franca contradicción con Newton.Thomas Young y Augustin Fresnel, enuncian una nueva teoría ondulatoria, la cual enunciabaque la luz estaba formada por ondas semejantes a las que se forman en una cuerda envibración (ondas transversales) y que eran emitidas por los átomos excitados de los cuerposluminosos, explicándose en ese entonces (1860) los fenómenos de interferencia, difracción ypolarización.James Clerk Maxwell, sostiene (1873) que la luz está constituida por ondas transversales denaturaleza electromagnética provocada por alteraciones del campo eléctrico y magnético delos átomos de los cuerpos luminosos.Heinrich Hertz (1887) experimentalmente, utilizando un circuito eléctrico oscilante,determinó que las ondas electromagnéticas tienen un comportamiento semejante a lasondas de luz, demostrando además que tenían igual velocidad de propagación en el vacíocon lo cual concluyó que las ondas electromagnéticas y las de la luz tenían igual naturaleza.

Teoría de los Cuanta: fue propuesta por Max Planck (1900), ante la imposibilidad deexplicar un nuevo fenómeno luminoso (fotoelectricidad o efecto fotoeléctrico), teoríaconfirmada y ampliada por Albert Einstein (1905). Esta teoría considera que la energíatransportada por una onda transversal electromagnética no está distribuida en formacontinua, sino que en paquetes o corpúsculos energéticos, llamados fotones.

Conclusión

La luz presenta naturaleza dual: Cuando se propaga (fenómeno de propagación) secomporta como una onda transversal electromagnética; pero cuando interacciona con lamateria (procesos de absorción y emisión mutua, entre la luz y la materia) presenta caráctercorpuscular (corpúsculos energéticos).

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Fenómenos de la luz

Reflexión de la luz

La luz viaja en línea recta y a una velocidad de 300.000 km/s en el vacío, la que seconsidera la velocidad máxima en el Universo conocido. Cuando un rayo luminoso llega a lasuperficie de un medio de distinta densidad, puede ser transmitido a través de él o reflejado(o ambas cosas).

Existen dos tipos de reflexión: especular y difusa lo que depende de que tan lisa y suavees la superficie donde inciden los rayos luminosos. Solo la reflexión especular es capaz deproducir imágenes, las cuales se forman donde se interceptan los rayos reflejados, para elcaso de las imágenes reales y en sus prolongaciones en el caso de las virtuales.

Hay leyes físicas que describen el fenómeno de reflexión de la luz. La ley dice que: elángulo de incidencia de cada rayo luminoso es igual al ángulo de reflexión (verfigura 1), respecto de la recta normal (N), ya sea que se trate de una reflexión difusa oespecular. La otra ley establece que tanto el rayo incidente, como el rayo reflejado y lanormal están en un mismo plano.

Reflexión especular: Cuando la luz llega en forma de rayos paralelos incidiendo sobre unasuperficie plana y muy lisa, los rayos reflejados son también paralelos (ver figura 2).

Reflexión difusa: Si la superficie es rugosa, los rayos reflejados salen en todas lasdirecciones, porque la normal en diferentes puntos puede ser distinta, produciéndose unareflexión difusa (ver figura 3).

El principio de Fermat y la ley de reflexión

El principio de Fermat es otra manera de expresar la ley de reflexión. Este principio dice queun rayo de luz al viajar de un punto a otro, siempre lo hará por el camino que le tomemenos tiempo.

Reflexión especular

fig. 2

rayoincidente

rayoreflejado

Según la ley de la reflexiónse cumple que 1 = 2

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fig. 1

Reflexión difusa

fig. 3

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Refracción de la luz

Se ha establecido que la velocidad de propagación de la luz depende de la naturaleza delmedio en el que se propaga.

Igualmente se ha comprobado que si un rayo luminoso pasa de un medio a otro, incidiendooblicuamente sobre la superficie de separación de ambos medios, experimenta un cambio dedirección en su desplazamiento. Si la incidencia es normal (perpendicular), el rayo sepropaga sin cambiar de dirección.La causa de estos cambios de velocidad y dirección, en el desplazamiento de la luz, seatribuye a cierta propiedad que caracteriza a los medios transparentes y que se denominarefringencia o poder refringente.

El índice de refracción absoluto de un medio da una medida cuantitativa de su refringencia,de modo que, comparando dos medios, tendrá mayor poder refringente aquel que tenga unmayor índice de refracción.

El fenómeno debido a la refringencia se denomina refracción, por lo cual se tiene que:

“Un haz luminoso experimenta refracción si cambia su rapidez o su rapidez y ladirección de propagación simultáneamente al pasar de un medio a otro de distintoíndice de refracción absoluto o refringencia”

Experimentalmente pueden establecerse las dos leyes siguientes que rigen este proceso:

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

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

Por otra parte:

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

Nota: la velocidad de la luz en un medio (de índice de refracción absoluto n) está dada por

donde c = 3x108 m/s (velocidad de la luz en el vacío)

i 2

R 1

sen n = = cte

sen n

12

1 2

n v =

n v

cv =

n

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De la ley de Snell pueden deducirse, además, las siguientes conclusiones de importancia:

Si un rayo luminoso, pasa oblicuamente de un medio de menor índice de refracciónabsoluto a otro de mayor índice de refracción absoluto, se refracta acercándose a lanormal.

Si un rayo luminoso pasa oblicuamente de un medio de mayor índice de refracciónabsoluto a otro de menor índice de refracción absoluto, se refracta alejándose de lanormal.

Ángulo límite

Como se dijo anteriormente, si un rayo luminoso pasa oblicuamente de un medio de mayoríndice de refracción absoluto a otro de menor índice de refracción absoluto, se refractaalejándose de la normal.

De este modo a medida que el ángulo de incidencia se va haciendo más grande, el ángulo derefracción puede llegar a crecer tanto que el rayo refractado emerja por la superficie deseparación con un valor de 90°.

Por lo tanto, ángulo límite es el ángulo de incidencia para el cual el ángulo de refracción vale90°.

Si el segundo medio es el aire o el vacío, el ángulo límite es característico de la sustancia yse llama ángulo límite de la sustancia.

Si la luz incide en la superficie de separación de dos medios desde el medio de mayor índicede refracción con un ángulo mayor que el ángulo limite, el fenómeno que se presenta seconoce con el nombre de reflexión interna total.

Índice de refracción absoluto en algunassustancias

Agua 1,3Alcohol etílico 1,36Glicerina 1,46Bencina 1,51Diamante 2,42Vidrio ordinario 1,50Cristal 1,60Hielo 1,31Aire 1,00029

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Refracción en la atmósfera terrestre.

De especial importancia, como ejemplo de refracción, es la marcha de la luz proveniente de

los astros a través de las numerosas capas de aire, de densidades crecientes y de índices de

refracción también crecientes, que constituyen la atmósfera terrestre y que aquella debe

atravesar.

Un rayo de luz que penetre en la atmósfera oblicuamente, experimenta sucesivas

refracciones al atravesar cada una de estas capas de distinto índice de refracción absoluto,

acercándose a la normal.

Un observador verá el astro en la dirección del último rayo refractado y es por esto que el

astro parece encontrarse a una altura mayor sobre el horizonte que la que tiene realmente.

Debido a esto, por ejemplo, las estrellas no se ven en sus posiciones verdaderas, a menos

que se hallen en el cenit, o sea, verticalmente sobre el observador. El mismo fenómeno

explica también el hecho de que se pueda ver el disco solar o la luna aún cuando el astro se

encuentre un poco más abajo del horizonte geométrico.

Un fenómeno terrestre, producido por la refracción en la atmósfera y la reflexión total, es el

espejismo, el cual es frecuente en los desiertos y caminos, en días de intenso calor. El

calentamiento de las capas de aire en contacto con la tierra trae consigo una disminución de

la densidad e índice de refracción de estas capas, de modo que las más bajas resultan ahora

menos densas y poseen un menor índice de refracción absoluto que las superiores. Esto

explica las capas de agua que se aprecian a la distancia en un camino, durante los días

calurosos pero en realidad lo que se ve no es sino una parte del cielo azul reflejado.

fig. 4

Refracción en la atmósfera: el sol se ve a pesar de estar algo mas bajo que el horizonte geométrico

SolSol

Sol Tierra

Horizonte geométricoAtmosfera Terrestre

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Dispersión

La mayor parte de los haces luminosos están formados por mezclas de rayos. Físicamentecada rayo corresponde a una longitud de onda distinta. Esto implica que cuando un hazluminoso atraviesa de un medio a otro, no todos los rayos serán refractados con el mismoángulo. Mientras que la velocidad, en el vacío, es la misma para todas las longitudes deonda, no ocurre lo mismo cuando se está en un medio material; cada rayo tiene unavelocidad distinta. Lo anterior se debe a que el medio material le presenta un mayor índicede refracción a los rayos con menor longitud de onda y viceversa.

Podemos decir, entonces, que la velocidad del rayo dependerá de su longitud. Se dirá queun medio produce dispersión cuando presenta esta propiedad.

Un ejemplo de esto se puede observar en el prisma (fig. 5). Si se hace incidir un rayo de luzblanca se obtendrán una serie de colores en la otra cara. Al conjunto de colores que seobtiene, usualmente se le da el nombre de espectro.

El Color y la longitud de onda

El fenómeno de la dispersión plantea de inmediato la pregunta ¿qué es el color? Adhiriendoal modelo ondulatorio uno interpreta cada color como una onda con "longitud de onda"característica. La longitud de onda y la velocidad de la luz en el medio están relacionadosmediante:

donde : longitud de onda, v: velocidad y f: frecuencia.

La siguiente tabla nos presenta las longitudes de onda para distintos colores. Para obtener elvalor de la frecuencia basta reemplazar en la ecuación anterior el valor de la velocidad de laluz en el vacío.

Color Longitud de onda(x 10-10m)

Rojo 6500Anaranjado 6000Amarillo 5800Verde 5200Azul 4700Violeta 4100

v =

f

fig. 5

Luz blanca o luz delSol

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El Color y el índice de Refracción

De lo discutido anteriormente se pueden obtener las siguientes conclusiones:

a) El vidrio, si descompone la luz en colores, es un medio dispersivo.b) Midiendo los ángulos de cada color y aplicando la ley de Snell es posible calcular el índice

de refracción del medio, y con ello, la velocidad de la luz en el medio.

En otras palabras, la sustancia de que esta hecho el prisma tiene un índice de refraccióndistinto para cada color y por supuesto, una desviación (ángulo de refracción) distinta paracada color. El color menos desviado es el rojo y el más desviado el violeta. En ese mismoorden decrecen las longitudes de onda de modo que a mayor longitud de onda correspondemenor desviación (a mayor longitud de onda, una misma sustancia ofrece menor índice derefracción).

Nota: Decimos que un objeto tiene un color cuando, con preferencia, refleja o transmite lasradiaciones correspondientes a tal color. Por ejemplo, un cuerpo es rojo cuando absorbe encasi su totalidad, todas las radiaciones menos las rojas, las cuales refleja.El color de los cuerpos no es una propiedad intrínseca de ellos, sino que va ligado a lanaturaleza de la luz que reciben.

Espectro electromagnético

Se denomina espectro electromagnético al conjunto de ondas electromagnéticas. En la figura6 se han representado las longitudes de onda en relación al tamaño de cosas que nos sonfamiliares, en alguna medida, y se ha indicado el nombre que tiene cada radiación que, porsupuesto, es luz.

fig. 6

NúcleoAtómico

Humanos Cabeza dealfiler

AbejasEdificios Protozooarios Moléculas Ätomos

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GLOSARIO

Ángulo límite: cuando una onda incide sobre una superficie, transparente a la luz, con unángulo mayor que el ángulo límite, el rayo de luz no se refracta, solo se refleja. Estefenómeno solo puede ocurrir cuando la luz viene desde un medio de mayor índice derefracción y se dirige hacia uno de menor índice.

Dispersión: Al fenómeno de separación de la luz en los distintos colores de acuerdo a sulongitud de onda, se le llama dispersión y ocurre cuando por ejemplo la luz blanca o del Solentra a un prisma.

Espectro electromagnético: Este espectro nos muestra como se ordenan las ondas, yasea considerando sus frecuencias o sus longitudes de onda. Ubicándose en un extremo lasondas de radio y en el otro extremo los rayos gamma.

Principio de Fermat: cuando la luz se propaga de un punto a otro, sigue la trayectoria quele toma menos tiempo.

Índice de refracción: se obtiene como el cociente entre la rapidez de la luz en el vacío y larapidez de la luz en el medio que se propaga, por lo tanto es adimensional. Si bien losdistintos medios transparentes, en general mientras más densos son, el índice aumenta.También el índice depende de la longitud de onda de la onda incidente, ya que a menorlongitud de onda mayor es el índice de refracción y viceversa.

Ley de Snell: Esta es la ley fundamental para la refracción y establece la relación entre losíndices de refracción de ambos medios transparentes y los ángulos con los cuales llega ysale la luz. Se escribe como n1·sen θ1 = n2·sen θ2

Medio opaco: son aquellos materiales que no permiten el paso de la luz a través de ellos,ya que la luz que les llega es absorbida y no se reemite.

Medio transparente: son aquellos medios que permiten el paso de la luz a través de ellos.

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EJEMPLOS

1. Cuando una onda electromagnética pasa de un medio a otro disminuye su longitud deonda en un décimo, entonces el periodo de la onda

A) no cambia.B) disminuye en un décimo.C) aumenta en un décimo.D) disminuye en dos décimos.E) aumenta en dos décimos.

2. En la figura se representa una onda que pasa de un medio a otro. Respecto a la figuraes correcto decir que los fenómenos que se observan son

A) dispersión y reflexión.B) difracción y reflexión.C) difracción y refracción.D) reflexión y refracción.E) dispersión y refracción.

3. Un rayo de luz viaja por el vacío y luego atraviesa tres zonas cuyos índices derefracción son n1, n2 y n3. Si n1 > n2 > n3, entonces respecto a la rapidez de la luz seafirma que

A) es la misma en todas partes.B) de las tres zonas donde viaja más rápido es en la zona 1.C) en el vacío es menor que la rapidez en cualquiera de las tres zonas.D) es mayor en el vacío pero en las tres zonas es la misma.E) de las tres zonas donde viaja más rápido es en la zona 3.

n1

n2

n3

vacío

1

2

3

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PROBLEMAS DE SELECCIÓN MÚLTIPLE

1. ¿Cuál de las siguientes ondas corresponde a la que tiene menor longitud de onda?

A) Ondas correspondientes al azul.B) Ondas infrarrojas.C) Ondas de rayos X.D) Luz ultravioleta.E) Ondas correspondientes al amarillo.

2. Al realizar las siguientes afirmaciones

I) la luz viaja en línea recta.II) la luz es una onda tridimensional.

III) la luz es una onda electromagnética.

Es (son) verdadera(s)

A) solo I.B) solo II.C) solo III.D) solo I y II.E) I, II y III.

3. La imagen muestra una taza y una persona que mira la taza, se introduce una monedade 100 pesos en la taza, colocándola hacia el lado inferior izquierdo, de tal forma que lapersona no es capaz de ver la moneda a menos que se acerque una distancia muypequeña. Si luego se vierte agua en la taza ocurrirá que

A) seguirá sin ver la moneda ya que esta no sube por ser más densa que el agua.B) la moneda subirá y así podrá verla.C) podrá ver la moneda gracias a la difracción que se produce.D) podrá ver la moneda por el mayor índice de refracción del agua respecto al aire.E) ninguna de las anteriores.

4. Un haz de luz pasa de un medio a otro medio distinto, entonces de las siguientessituaciones mostradas en las siguientes figuras es (son) posible(s)

A) solo I.B) solo II.C) solo III.D) solo I y II.E) solo I y III.

I) II) III)

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5. Respecto a la rapidez de las ondas electromagnéticas que se encuentran en el espectrovisible, es correcto decir que

A) la luz roja siempre viaja más rápido que la luz azul.B) la luz azul siempre viaja más rápido que la luz roja.C) siempre la luz roja y luz azul viajan con la misma rapidez.D) en el vacío todos los colores viajan con la misma rapidez.E) en un prisma la luz azul viaja más rápido que la luz roja.

6. Un rayo de luz se mueve en dos medios, agua y aire, al respecto y considerando lafigura, se afirma correctamente que

A) la zona 1 es aire y la zona 2 es agua.B) la longitud de la onda en la zona 1 es mayor que en la zona 2.C) la frecuencia en la zona 2 es mayor que en la zona 1.D) la rapidez de la onda en la zona 2 es mayor que en la zona 1.E) en 1 y 2 las longitudes de onda son iguales.

7. Es incorrecto afirmar respecto de las ondas electromagnéticas que

A) el microondas usado para calentar la comida emite ondas electromagnéticas.B) un celular emite ondas electromagnéticas.C) las centrales nucleares emiten ondas electromagnéticas.D) los cables de alta tensión ubicados en la ciudad emiten ondas electromagnéticas.E) ninguna de ellas se puede propagar a través de un sólido.

8. Se hace incidir sobre un prisma un rayo de luz blanca, de tal forma que el rayo inicialse separa en los distintos colores que componen la luz blanca, tal como se aprecia en lafigura. Respecto a los rayos A, B y C, provenientes de esta separación se afirma que alcompararlos entre ellos

A) no es posible saber si A, B o C es el de menor longitud de onda.B) la luz roja corresponde al rayo C.C) A, B Y C poseen la misma longitud de onda.D) la longitud de onda correspondiente al rayo B es la del color violeta.E) el de mayor longitud de onda es A.

9. ¿Cuál de las siguientes ondas electromagnéticas tiene mayor rapidez en el vacío?

A) luz ultravioleta.B) luz infrarroja.C) rayos X.D) rayos gamma.E) ninguna, ya que todas viajan con la misma rapidez.

CLAVES DE LOS EJEMPLOS

1A 2D 3EDMTRFC-04

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1

2

luz blanca

AB

C