30/08/2015 Luis Angelats Silva

NATURALEZA Y PROPAGACIN DE LA LUZ

UNIDAD: MECNICA DE FLUIDOS

Dr. Luis M. Angelats Silva

langelats@yahoo.com

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

Escuela de Ingeniera DE MATERIALES

Departamento Acadmico de Fsica UNT

1. Sears-Zemansky-Freedman_Young, FISICA UNIVERSITARIA, Volumen I.

2. P. Tipler-G. Mosca, Fsica para la ciencia y la tecnologa, Vol I, 6ta Edic.

3. BURBANO; Fsica General, Editorial Tbar, S. L, 2003.

4. R. Serway J. Jewett, FISICA, Volumen I

30/08/2015

Luis Angelats Silva

1. LA NATURALEZA DE LA LUZ :

Isaac Newton (1642-1727):

...la luz consista en corrientes de partculas (llamadas

corpsculos) emitidas por las fuentes luminosas

James Clerk Maxwell (1873) y Heinrich Hertz (1887):

Demostraron que la luz es una onda electromagntica y cuya rapidez en el vaco es:

y

c = 2.99792x108 m/s 3 x 108 m/s

Cul es la conclusin?

La luz es una onda electromagntica.

Su propagacin puede describirse

mediante frente de ondas; la emisin o

absorcin, mediante corpsculos.

(comportamiento dual).

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La energa E, de una onda electromagntica est cuantizada: FOTN

c

hfhE

h (constante de Planck) = 6.63 x 10-34 J.s = 4.14 x 10-15 eV.s

Aplicaciones de la luz (espectro visible e infrarrojo):

Ejercicio 1:

El disco Blu-ray Disc (BD) hace uso de un rayo lser de color azul con una longitud de onda

de 405 nanmetros, a diferencia del lser rojo utilizado en lectores de DVD, que tiene una

longitud de onda de 650 nanmetros, (a) Calcule la frecuencia de cada lser si se propaga

en el vaco, (b) cul es de mayor energa? Rptas: (a) 7.41x1014; 4.62 x1014; (b) 3.07 eV,

1.19 eV.

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Ondas, frente de ondas y rayos:

S1

Rayo

Frente de ondas esfricas

30/08/2015 Frente de ondas planas

Rayos

Una onda plana propagndose

a la derecha.

Principio de Huygens o construccin de Huygens:

Cada punto de un frente de onda primario sirve

como foco (o fuente) de ondas esfricas

secundarias que avanzan con una velocidad y

frecuencia igual a las de la onda primaria.

Frente de onda: lugar geomtrico de todos los puntos adyacentes en los cuales la fase

de vibracin de una cantidad fsica asociada con la onda es la misma

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2. Reflexin y Refraccin:

Reflexin en superficies planas

Reflexin especular Reflexin difusa

Una superficie se comporta como una superficie suave o especular si las

variaciones de la superficie son mucho ms pequeas que la longitud de onda

incidente.

La reflexin es el cambio de direccin de un rayo o una onda que ocurre en la

superficie de separacin entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial

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Formacin de imgenes por reflexin:

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Leyes de la Reflexin y Refraccin:

a

b

b

a

nn

SenSen

Donde, n es el ndice de refraccin de un material ptico:

vc

n material elen luz la de rapidez vacoelenluzladerapidez

, (para el vaco, n = 1)

naSena = nbSenb

(Ley de la refraccin o ley de Snell)

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Tres casos de Refraccin y Reflexin:

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Ejemplos prcticos de fenmenos de reflexin y refraccin:

2. Aparicin de atardeceres Sol achatado?:

1. Regla quebrada:

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ndice de refraccin y aspectos ondulatorios de la luz:

o (en el vaco, o aire)

Considerando: f = v/ y fo (vaco) = fn(medio), se

demuestra que:

no

vc

:

nvc

n

o

no

n

Ejemplo: Si = 620 nm en el aire, cul es la

longitud de onda y la velocidad de la luz en el

diamante (n = 2.42).

Rptas: 256.2 nm, 1.24x108 m/s

na , ndice de refraccin del medio a,

nb , ndice de refraccin del medio b,

y a , en el medio a,

b , en el medio b,

En general, para dos medios diferentes, con ndices de refraccin na y nb y fa = fb:

b

b

a

a vv

a

b

b

a

nn

Ejercicio 2. Un lser en un CD genera luz que tiene una longitud de onda de 780 nm en aire.

(a) Cul es la longitud de onda de esta luz en el plstico? (b) Encuentre la velocidad de esta

luz una vez que ingresa al plstico de un CD (n = 1.55). Rpta. 503.2 nm, 1.935x108 m/s,

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Solucin:

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Solucin:

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Ejercicio 3:

Dos espejos forman un ngulo de 120 entre s,

como se ve en la figura. Un rayo incide sobre el

espejo M1 a un ngulo de 65 con la normal.

Demostrar que la direccin del rayo despus de que

ste se refleja desde el espejo M2 es de 55

?

Ejercicio 4: Anlisis de la geometra de un ngulo arbitrario entre los espejos

Demostrar que el cambio de direccin

del rayo de luz es el ngulo dado por:

2360

(a) = 120?

(b) = 90?

Qu pasa si :

Fenmeno de retrorreflexin o

reflector de vrtice

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Aplicaciones del fenmeno de retrorreflexin:

Bandas o lminas

retrorreflectivas

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Un haz de luz pasa desde el medio 1 al medio 2, siendo ste ltimo una gruesa lmina de

material cuyo ndice de refraccin es n2 (Fig.). (a) Demuestre que el haz que emerge en

el medio 1 desde el otro lado es paralelo al haz incidente, (b) Si el grosor t de la lmina

se duplica, la distancia d que sobresale tambin se duplica?

Ejercicio 5:

12

12 senn

nsen

21

23 senn

nsen

112

1

1

23 sensenn

nnn

sen

1.

2.

3.

Por consiguiente, 3 = 1, y la placa no altera la direccin del haz. Sin embargo, esto hace que el

haz se desplace paralelo a s mismo Cunto se desplaza?.

Rpta. Demostrar que si t es el espesor del material refractor, entonces: )(cos 212

sentd

crit = 24 30/08/2015

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REFLEXIN INTERNA TOTAL:

La reflexin total interna se presenta slo cuando un

rayo incide en la interfase con un segundo material

cuyo ndice de refraccin es menor que el del

material en el cual se desplaza el rayo (nb < na).

bbcrta nSennSenn 90

De la Fig., cuando a = crit , b = 90:

a

bcrt n

nSen (para nb < na)

Ej. Interfase aire/diamante: aire (nb = 1)/diamante (na = 2.42) = 0.413

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Una vista desde el ojo de un pez hacia la

superficie del agua (n = 1.33): o

C sen 84875201 .).(

Aplicaciones de la reflexin interna total::

Prismas en binoculares

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Lectura: Fibras pticas:

Ncleo de vidrio

o plstico

Envoltura de menor

ndice de refraccin

que el vidrio o plstico

Protector

Ejercicio 6: Fibra ptica

Un haz laser incide en un extremo de un tubo de poliestireno (n = 1.48). Determine el nmero

de reflexiones internas del haz antes de que emerja del extremo opuesto del tubo. Rpta. 81.5

82 reflexiones.

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Luis Angelats Silva

DISPERSIN:

Una propiedad importante del ndice de refraccin n es que, para un material determinado, el

ndice de refraccin vara con la longitud de onda de la luz que pase por el material.

Comportamiento llamado DISPERSIN.

Luz

Normal

(ngulo de desviacin)

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Luis Angelats Silva

Los efectos combinados de la dispersin, refraccin y reflexin en la formacin del

arco iris:

Analice donde se presentan estos efectos en la gota esfrica de lluvia

Luz solar

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Dispersin de la luz por: Rutilo

sinttico (joya sinttica)

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Ejercicio 6: Medicin del ndice de refraccin (n) con un prisma

Usando la geometra mostrada en la figura, demostrar

que:

2/2

min

Sen

Senn

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Luis Angelats Silva

Tarea: Fibras pticas - Aplicaciones

Revisar: Fundamento fsico, Descripcin, apertura

numrica, tipos de fibras, materiales usados.

Apertura numrica

1. Mono-modo

2. Multi-modo