practica 1 naturaleza y propagacion de la luz

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Método experimental para observar la propagación de la luz.

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PRACTICA 1

PRACTICA 1NATURALEZA Y PROPAGACIN DE LA LUZObjetivo: Entender la naturaleza de la luz a travs de una serie de experimentos que ilustren el comportamiento de la luz en diferentes situaciones de tipo prctico.Introduccin: En esta seccin realice una sntesis de los captulos 1 y 2 del libro Fundamentos de Fsica: ptica de F. W. Sears, referente nicamente a los temas de esta prctica; esto es, consulte slo las secciones correspondientes a los temas de los experimentos que se realizan en esta prctica.A la luz tambin se le puede denominar como radiacin electromagntica visible; esto es, es aquella radiacin que produce sensacin visual en el ojo humano y corresponde a una porcin muy angosta del espectro electromagntico, mejor conocida como la regin visible del espectro. La siguiente figura ilustra lo anterior:

Figura 1. Diagrama del espectro electromagntico.

La energa electromagntica en una longitud de onda particular (en el vaco) tiene una frecuencia f asociada y una energa de fotn E. Por tanto, el espectro electromagntico puede ser expresado igualmente en cualquiera de esos trminos. Se relacionan en las siguientes ecuaciones:

c = f, o lo que es lo mismo: = ---

E = hf, o lo que es lo mismo:E = donde:

c = 299 792 458 m/s (velocidad de la luz) y h es la constante de Planck.

(h 6,626069 10-34 Js 4,13567 eV/GHz)

Por lo tanto, las ondas electromagnticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta y mucha energa mientras que las ondas de baja frecuencia tienen grandes longitudes de onda y poca energa.

Figura 2. Regin o espectro visible del espectro electromagntico.

ColorLongitud de onda

violeta380450 nm

azul450495 nm

verde495570 nm

amarillo570590 nm

naranja590620 nm

rojo620750 nm

Figura 3. Intervalos de longitudes de onda para las regiones del espectro visible.Por encima de la frecuencia de las radiaciones infrarrojas se encuentra lo que comnmente llamamos luz. Es un tipo especial de radiacin electromagntica que tiene una longitud de onda en el intervalo de 0,38 a 0,73 m. Hasta hace relativamente poco tiempo la unidad usual para expresar las longitudes de onda era el Angstrom, . Sin embargo, debido a que se ha fomentado el uso del Sistema Internacional de Unidades SI para expresar las unidades de las magnitudes fsicas, las unidades que se emplean hoy en da son principalmente el micrmetro, m, o el nanmetro, nm, donde:

1 = 0,1 nm = 0,0001 m, o1 m = 1 000 ,1 nm = 10

El intervalo de longitudes de onda para la luz va aproximadamente de los 750 nm (rojo) hasta los 380 nm (violeta), donde la onda ms corta es la del color violeta. Esto es, a menor longitud de onda la frecuencia de la onda aumenta.Experimentos:

1. REFLEXIN Y REFRACCIN DE LA LUZ.(a) Ley de reflexin: Mediante el empleo de una mesa circular para medir ngulos (mesa goniomtrica), un espejo plano y un lser, determinaremos los ngulos i y i

Figura 4. Arreglo experimental para estudiar la reflexin de la luz.

En : Medicin del ngulo de giro del espejo y con esto el ngulo de giro de la normal N ( = i) de la superficie reflectante.En : Determinacin de i mediante la resta de la lectura en 2 - i = iTabla de resultados a reportar:Nii

1

2

3

Figura 5. Arreglo experimental para estudiar la refraccin de la luz.

(b) Ley de refraccin: Mediante el uso de una mesa goniomtrica y un recipiente de agua semicircular medir i , i y t .En posicin : Determinar el ngulo de giro del recipiente semicircular de agua y por lo tanto de i En posicin : Determinar i

En posicin : Determinar tTabla de resultados a reportar:

Niisen isen t

1

2

3

2. SOMBRA, PENUMBRA Y REGIN DE MXIMA ILUMINACIN.

Figura 6. Formacin de la sombra, penumbra y mxima iluminacin.

3. FENMENOS ONDULATORIOS DE LA LUZ.El prisma es un dispositivo ptico con 2 funciones principales: se utiliza como un sistema dispersor de luz y tambin para producir un cambio en la direccin de propagacin del haz (y por tanto, de la direccin en la formacin de la imagen respecto al objeto). Sus principales aplicaciones son:

como divisores de haz,

como sistemas polarizadores,

en espectroscopios y monocromadores,

en interfermetros

Figura 7. Refraccin de un haz por un prisma triangular.

( = ngulo caracterstico del prisma (= 60o)

( = ngulo de desviacin

n = ndice de refraccin del prisma

N1, N2 = normales a las caras 1 y 2, respectivamenteEl ngulo de desviacin se expresa como :

.........................................(1)

(demostrar la ecuacin anterior).

Una grfica de ( en funcin de (i se presenta en la figura 8, en donde podemos ver que se obtiene un mnimo valor de (, que se denota como (min (tambin conocido como el ngulo de desviacin mnima), para un determinado valor de (i. Este valor mnimo depende, por supuesto, de la longitud de onda, lo cual tambin se muestra en la figura 2 si el vidrio del que est hecho el prisma es Flint. Este (min ocurre en el caso particular en que (i = (i, esto es, en la situacin en la que el rayo en el interior del prisma viaja paralelo a la base.

Figura 8. ngulo de desviacin en funcin del ngulo de incidencia.En ese caso ocurre que (demostrar la ecuacin):

................................................................................(2)

La dispersin cromtica es la separacin en las distintas longitudes de onda de un haz de luz policromtico a diferentes direcciones de propagacin a su paso por el medio que constituye el prisma.

Figura 9. Dispersin cromtica de un haz de luz blanca por un prisma triangular.

Figura 9. Dispersin cromtica en dos prismas idnticos de diferente material.

DIFRACCIN DE LA LUZEn fsica, la difraccin es un fenmeno caracterstico de las ondas consistente en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstculo o al atravesar una rendija. La difraccin ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnticas como la luz y las ondas de radio.

Por consiguiente, se puede decir que la difraccin se produce debido a la desviacin que sufren las ondas alrededor de los bordes de un obstculo cuando un frente de onda (ya sea sonora, material o electromagntica) es obstruido por dicho obstculo.

El fenmeno de la difraccin se produce cuando la longitud de onda es mayor que las dimensiones del objeto, por tanto, los efectos de la difraccin disminuyen hasta hacerse indetectables a medida que el tamao del objeto aumenta comparado con la longitud de onda. Lo anterior se ilustra en la siguiente figura, donde se aprecia que la difraccin se manifiesta cuando el ancho de la rendija disminuye y sus dimensiones se hacen comparables a la longitud de onda de la luz incidente.

Figura 10. Paso de la luz a travs de una rendija rectangular.

CUESTIONARIO

1. El fenmeno de la reflexin de la luz, ocurre solamente cuando sta incide sobre un espejo? Si su respuesta es negativa, indique en que otras condiciones puede ser reflejada.

2. El que los rayos incidente, transmitido y reflejado en una interfase estn en un mismo plano ocurre slo bajo la suposicin de que los medios a ambos lados de la interfase sean homogneos e isotrpicos. Explique que es un medio homogneo e isotrpico.

3. Para las diferentes regiones del espectro electromagntico indique los tipos de fuente y el principio fsico bajo el cual emiten dicha radiacin, as como los sensores que se emplean para detectarla y como funcionan.4. Explique porqu la propagacin de una onda se puede describir usando el concepto de rayo. Bajo qu condiciones esta descripcin resulta inadecuada?

5. Porque si la luz es un fenmeno ondulatorio, su reflexin y refraccin se describe en trminos del concepto de rayo? Si la luz estuviera compuesta de partculas, las leyes de reflexin y refraccin tendran la misma forma?

6. Explique brevemente como se aplica el principio de Huygens para explicar las leyes de reflexin y refraccin.

7. En su clebre experimento del prisma, Newton concluye que la luz blanca est compuesta de una mezcla de colores. Sin embargo, ntese que Newton supona que la naturaleza de la luz era corpuscular. Imagine y describa brevemente como podra explicarse la dispersin cromtica en un prisma usando una teora corpuscular.

c

f

EMBED Word.Picture.8

i) i vs i

ajustar e interpretar

graficar ii) sen t vs. sen i

ajustar e interpretar

hc

graficar i vs. i ajustar e

interpretar parmetros de ajuste

EMBED Word.Picture.8

Fuente de luz

Fuente de luz

Objeto opaco

Fuente de luz puntual

Regin de mxima iluminacin

sombra

sombra

Regin de mxima iluminacin

Fuente de luz lineal

Objeto opaco

penumbra

_1140193057.unknown

_1140194558.unknown

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Cara 1

(

(

Cara 2

N1

n

'i

N2

(

i

(

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N

0(

N

t

180(

90(

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270(

mesa