FM31 - Ondas III
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MATERIAL: FM-31
ONDAS III
LA LUZ
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 por
los cuerpos luminosos que podían penetrar las sustancias transparentes (fenómenos de
refracción: obedecía las leyes de la mecánica) y reflejarse en las superficies de los cuerpos
opacos (fenómenos de reflexión). Se utilizó para explicar la propagación rectilínea de la luz.
Teoría ondulatoria: iniciada por Christian Huygens, quien asumía que la luz estaba
formada por ondas semejantes a las del sonido (ondas longitudinales), 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, según la cual la
luz estaba formada por ondas semejantes a las que se forman en una cuerda en vibración
(ondas transversales) y que eran emitidas por los átomos excitados de los cuerpos
luminosos, explicándose en ese entonces (1860) los fenómenos de interferencia, difracción y
polarización.
James Clero Maxwell, sostiene (1873) que la luz está constituida por ondas transversales de
naturaleza electromagnética provocada por alteraciones del campo eléctrico y magnético de
los átomos de los cuerpos luminosos.
Heinrich Hertz (1887) experimentalmente, utilizando un circuito eléctrico oscilante,
determinó que las ondas electromagnéticas tienen un comportamiento semejante a las
ondas de luz, demostrando además que tenían igual velocidad de propagación en el vacío
con 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 de
explicar un nuevo fenómeno luminoso (fotoelectricidad o efecto fotoeléctrico), teoría
confirmada y ampliada por Albert Einstein (1905). Esta teoría considera que la energía
transportada por una onda transversal electromagnética no está distribuida en forma
continua, sino que en paquetes o corpúsculos energéticos, llamados fotones.
Conclusión
Reflexión de la luz
La luz viaja en línea recta y a una velocidad de 300.000 km/s en el vacío, la que se
considera la velocidad máxima en el Universo conocido. Cuando un rayo luminoso llega a la
superficie 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 suave
es la superficie donde inciden los rayos luminosos. Sólo la reflexión especular es capaz de
producir imágenes, las cuales se forman donde se interceptan los rayos reflejados, para el
caso 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. Una ley dice que el
ángulo de incidencia de cada rayo luminoso es igual al ángulo de reflexión (ver figura 1),
respecto de la recta normal (N). La otra ley establece que tanto el rayo incidente, como el
rayo reflejado y la normal están en un mismo plano.
Reflexión especular: Cuando la luz llega en forma de rayos paralelos incidiendo sobre una
superficie 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 las
direcciones, porque la normal en diferentes puntos puede ser distinta, produciéndose una
reflexión difusa (ver figura 3).
rayo 1 2 rayo
incidente reflejado
El principio de Fermat es otra manera de expresar la ley de reflexión. Este principio dice que
un rayo de luz al viajar de un punto a otro, siempre lo hará por el camino que le tome
menos tiempo.
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Refracción de la luz
Experimentalmente pueden establecerse las dos leyes siguientes que rigen este proceso:
sen i n2
= = cte
sen R n1
n2 v1
=
n1 v2
Nota: la velocidad de la luz en un medio (de índice de refracción absoluto n) está dada por
c
v= donde c = 3x108 m/s (velocidad de la luz en el vacío)
n
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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
Ángulo límite
De este modo a medida que el ángulo de incidencia se va haciendo más grande, el ángulo de
refracción puede llegar a crecer tanto que el rayo refractado emerja por la superficie de
separación con un valor de 90°.
Por lo tanto, ángulo límite es el ángulo de incidencia para el cual el ángulo de refracción vale
90°.
Si la luz incide en la superficie de separación de dos medios desde el medio de mayor índice
de refracción con un ángulo mayor que el ángulo limite, el fenómeno que se presenta se
conoce con el nombre de reflexión interna total.
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Refracción en la atmósfera terrestre
Sol
Sol
Horizonte geométrico
Sol Tierra
Refracción en la atmósfera: el sol se ve a pesar de estar algo mas bajo que el horizonte geométrico
fig. 4
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.
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Dispersión
La mayor parte de los haces luminosos están formados por mezclas de rayos. Físicamente
cada rayo corresponde a una longitud de onda distinta. Esto implica que cuando un haz
luminoso atraviesa de un medio a otro, no todos los rayos serán refractados con el mismo
ángulo. Mientras que la velocidad, en el vacío, es la misma para todas las longitudes de
onda, no ocurre lo mismo cuando se está en un medio material; cada rayo tiene una
velocidad distinta. Lo anterior se debe a que el medio material le presenta un mayor índice
de 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 que
un 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 luz
blanca se obtendrán una serie de colores en la otra cara. Al conjunto de colores que se
obtiene, usualmente, se da el nombre de espectro.
fig. 5
v
= donde : longitud de onda, v: velocidad y f: frecuencia.
f
La siguiente tabla nos presenta las longitudes de onda para distintos colores. Para obtener el
valor de la frecuencia basta reemplazar en la ecuación anterior el valor de la velocidad de la
luz en el vacío.
Longitud de onda
Color
(x 10-10m)
Rojo 6500
Anaranjado 6000
Amarillo 5800
Verde 5200
Azul 4700
Violeta 4100
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El Color y el índice de Refracción
En otras palabras, la sustancia de que esta hecho el prisma tiene un índice de refracción
distinto para cada color y por supuesto, una desviación (ángulo de refracción) distinta para
cada color. El color menos desviado es el rojo y el más desviado el violeta. En ese mismo
orden decrecen las longitudes de onda de modo que a mayor longitud de onda corresponde
menor desviación (a mayor longitud de onda, una misma sustancia ofrece menor índice de
refracción).
Nota: Decimos que un objeto tiene un color cuando, con preferencia, refleja o transmite las
radiaciones correspondientes a tal color. Por ejemplo, un cuerpo es rojo cuando absorbe en
casi 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 la
naturaleza de la luz que reciben.
Espectro electromagnético
fig. 6
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EJEMPLOS
A) 0,5
B) 1,0
C) 1,5
D) 2,0
E) 2,5
I) X>Y
II) v>Z
III) n<W
Es (son) correcta(s)
A) solo I.
B) solo II.
C) solo III.
D) solo I y II.
E) solo II y III.
4. Un haz de luz blanca pasa a través de un filtro rojo e incide sobre una superficie verde.
Si la superficie solo es iluminada con esta luz, se tendrá que ver
A) verde.
B) rojo.
C) amarillo.
D) negro.
E) azul.
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PROBLEMAS DE SELECCIÓN MÚLTIPLE
1. Si la luz no se comportara como una onda, ¿cuál de los siguientes fenómenos no podría
ser explicado satisfactoriamente?
A) Reflexión especular.
B) Reflexión difusa.
C) Refracción.
D) Propagación en el vacío.
E) Interferencia.
A) el blanco es un color.
B) el blanco se forma con al menos 3 colores.
C) el negro no existe.
D) el blanco es la mezcla de los colores del arcoíris.
E) el blanco se encuentra en todos los colores.
medio 1
medio 2
A) Solo I.
B) Solo II.
C) Solo III.
D) Solo I y II.
E) Solo II y III.
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5. La luz presenta una naturaleza dual debido a que
A) Al rojo.
B) Al azul.
C) A ambos se les presenta el mismo índice de refracción.
D) El color que llegue con mayor rapidez al vidrio.
E) Faltan datos.
7. Un niño decide confeccionar una lámpara usando una botella de vidrio verde y en su
anterior una ampolleta que emite luz blanca. Al encenderla ilumina las paredes de la
habitación y éstas se ven de color verde. Si reemplazara la ampolleta por una que solo
emite luz roja, la habitación se vería
A) verde.
B) morado.
C) café.
D) negro.
E) rojo.
A) 1 : 1
B) 2 : 3
C) 3 : 2
D) 1 : 2
E) 2 : 1
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9. Un rayo de luz viaja por varias capas líquidas de índices de refracción n1, n2, n3 y n4. Al
pasar de la capa 1 a la 2, el rayo se acerca a la normal y cuando pasa de la capa 2 a la
3 se aleja de la normal. Según esta información, respecto a los índices de refracción, se
afirma que
I) n1 n2.
II) n2 n3.
III) n3 n4.
n1
n2
Es (son) correcta(s)
n3
A) solo I. n4
B) solo II.
C) solo III.
D) solo II y III.
E) I, II y III.
10. Cuando una onda de luz se dirige desde un medio a otro, es posible que la luz se refleje
totalmente, sin que haya refracción, esto puede ocurrir
A) siempre.
B) solo si va desde un medio que tiene mayor índice de refracción a uno de menor
índice.
C) solo si va desde un medio que tiene menor índice de refracción a uno de mayor
índice.
D) solamente si se dirige a un espejo.
E) ninguna de las anteriores.
11. La figura representa un haz de luz monocromática que atraviesa una lámina de vidrio,
en dirección x.
aire vidrio aire
luz
A B luz x
0
A) v B) v C) v
0 A B x 0 A B x 0 A B x
D) v E) v
0 A B x 0 A B x
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12. Un tipo de serpiente puede ver algunas frecuencias en el infrarrojo, lo que permite
detectar presas de sangre caliente aún en la noche. Solo con esta información se puede
afirmar correctamente que dichas serpientes
A) es unidimensional.
B) solo viaja en el vacío.
C) posee una rapidez constante de 300.000 km/s.
D) viaja más lento en el agua que en el aire.
E) no se puede polarizar.
14. Sobre una superficie de agua incide un rayo de luz, proveniente desde el aire. Dentro
del agua, la magnitud que cambia es la
I) longitud de onda.
II) frecuencia.
aire
III) velocidad.
A) Solo I agua
B) Solo II
C) Solo III
D) Solo I y II
E) Solo I y III
1D 2B 3C 4D
DMQFM-31
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