La luz su naturaleza y su velocidad. Naturaleza de la luz II

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1 Tema IV Lección 1ª La luz su naturaleza y su velocidad La luz vista por Newton y por Einstein. La luz como onda. Polarización, reflexión y refracción Propagación de la luz. Espejismos y arco iris Lección 2º Observando el firmamento El espectro electromagnético Eclipses y fenómenos lunares Del telescopio al radiotelescopio: La llamada del firmamento. 1 La luz su naturaleza y su velocidad La luz vista por Newton y por Einstein La luz como onda. El espectro electromagnético Propagación de la luz. Espejismos y arco iris. 2 La luz Por luz entendemos la porción del espectro electromagnético que es visible por el ojo humano. Corresponde a la banda de frecuencias entre 4,3 x y 7,5 x Hz. Que son las del rojo y el violeta respectivamente 3 Naturaleza de la luz I Teoría a corpuscular Newton explica Propagación rectilínea Reflexión y refracción yerra La velocidad en el agua y el vidrio mayor que en el aire para explicar la refracción. A los 200 años se comprueba el error 4 Naturaleza de la luz II Teoría a Ondulatoria Huygens y Hooke: explica Reflexión y refracción siendo mayor la velocidad en el aire La aparición de colores en la láminas de pequeño espesor Young y Fresnel explican además Interferencia y difracción 5 Naturaleza de la luz III Segunda mitad del siglo XIX Foucault, Maxwell, Kirchhoff, Hertz confirman la teoría ondulatoria de Huygens empleando una formulación matemática firme Hertz descubre el efecto fotoeléctrico, la luz desprende electrones con facilidad de ciertos materiales. Se cuestiona la teoría ondulatoria 6 1

2 Naturaleza de la luz IV Thompson, Planck y Einstein Comportamiento dual La luz se comporta como una onda y como una partícula. Las partículas de luz se llaman fotones cuya energía es E = h ν siendo h la constante de Planck y ν la frecuencia de la luz considerada Rutherford, Bohr y Schrödinger explican la emisión y absorción de luz por la materia 7 Emisión Cada elemento puro emite una serie determinada de frecuencias que le son propias. A esas frecuencias se las denomina espectro de emisión del elemento. Se observan empleando un espectroscopio 8 Absorción Si a un elemento, en estado gaseoso, le hacemos pasar luz blanca absorbe una serie determinada de frecuencias que le son propias. El conjunto de esas frecuencias forman su espectro de absorción Cuya observación se lleva a cabo, también, con ayuda del espectroscopio 9 Estructura atómica Aplicación El tubo fluorescente El tubo fluorescente Las frecuencias emitidas por el elemento son las mismas que las absorbidas por él Dependen exclusivamente de su estructura atómica

3 La velocidad de la luz I Hoy sabemos que la velocidad es de km/s, pero cómo medirla? La primera experiencia para medir la velocidad de la luz se debe a Galileo Otro observador y él colocados en dos colinas, distantes 1 km, cada uno con una linterna y un obturador. La respuesta humana es muy lenta para la velocidad de la luz. 13 La velocidad de la luz II La velocidad de la luz III La primera medida valida fue En una colina cercana a París, Fizeau (1849) empleando medidas astronómicas: colocó una fuente luminosa, cuyos rayos, focalizados por una lente, incidían sobre un Se midió el período entre dos eclipses espejo semitransparente que los enviaba a del satélite Io de Júpiter cuando la otro espejo plano reflector colocado en otra Tierra se aleja de Júpiter (42,5 h) colina, el cual devolvía la luz al espejo semitransparente que en incidencia normal dejaba pasar la luz y permitía su observación. Despreciando el movimiento de Júpiter (es mucho más En su trayecto entre los dos espejos, se lento que la Tierra) se midió el período de Io cuando la hacían pasar tanto el rayo incidente como el reflejado en el espejo reflector por entre los Tierra se encuentra en el punto más cercano a Júpiter dientes de un rueda dentada con 720 dientes, A y se calculó el tiempo en que debe producirse el de modo que sólo si en su camino el rayo incidente coincidía con un espacio interdental eclipse medio año después, cuando la Tierra está en y el reflejado con el espacio interdental C, el tiempo en el que se observa el eclipse es de 16,6 siguiente se podía apreciar luz por el observador situado detrás del espejo minutos después de lo previsto. Ese tiempo debe ser el semitransparente. La velocidad de giro de la que la luz tarda en recorrer una distancia equivalente al rueda permite saber el tiempo empleado por la luz en su recorrido. diámetro de la órbita terrestre La luz como onda Una onda es una forma de transmisión de energía que depende del tiempo y de la posición. Sus magnitudes fundamentales son: Amplitud Frecuencia y período Longitud de onda Velocidad de propagación Se describe por El frente de onda Rayos Tipos de ondas En una onda hay que distinguir la dirección de propagación y la dirección de vibración Si son la misma la onda es longitudinal sin son perpendiculares la onda es transversal El sonido es una onda longitudinal La luz es una onda transversal Polarización El campo eléctrico que se transmite en una onda electromagnética puede tener diversas direcciones de vibración. No está polarizada Si la dirección de oscilación es única la onda se llama polarizada

4 Reflexión y refracción de la luz Si un rayo luminoso llega a la frontera entre dos medios, rayo incidente, puede ocurrir o que la energía de la onda electromagnética se mantenga en el primer medio, o que se transmita al medio limítrofe En el primer caso diremos que el rayo sea reflejado y en el segundo que se ha refractado. Realmente, lo que acabamos de decir no va a cumplirse al cien por cien, pues siempre un porcentaje más o menos importante de la energía se va a transmitir y el resto se va a reflejar en la frontera. 19 Reflexión de la luz La reflexión de la luz es el fenómeno que se produce cuando un rayo luminoso llega a la frontera entre dos medios y no penetra en el segundo de los medios, volviendo al medio del que procedía. Reflexión de la luz II La reflexión se puede producir sobre una superficie lisa. Diremos que tenemos una reflexión especular Si la reflexión ocurre sobre una superficie rugosa, tendremos una reflexión difusa En este caso se cumplen las leyes de la reflexión en cada punto θ i = θ r pero al no ser único el plano de la superficie al ojo llegan imágenes desde distintos planos y no se forma imagen definida (cristal esmerilado) Los rayos incidente y reflejado y la normal a la superficie reflectora se encuentran en el mismo plano, denominado plano de incidencia. Los rayos incidente y reflejado están en lados opuestos de la normal. El ángulo de incidencia (formado entre el rayo incidente y la normal) y el ángulo de reflexión (el formado por la normal y el rayo reflejado) son iguales. θ i = θ r Refracción La refracción se produce cuando un rayo llega a la superficie de separación entre dos medios y se transmite al segundo. En este caso el ángulo de incidencia y el de refracción son distintos (n senθ i = n senθ t ) Ley de Snell siendo n y n los índices de refracción del medio incidente y refractante respectivamente El índice de refracción de un medio es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y en el medio en cuestión 22 Refracción II Supongamos un punto luminoso en el agua a profundidad d por refracción lo observamos en S situado a una profundidad d. Pues el índice de refracción del agua es mayor que el del aire 23 Refracción III Dependiendo de los valores de los índices de refracción, se puede presentar el fenómeno de reflexión total. Recordemos la Ley de Snell: (n senθ i = n senθ t ) Como el seno de un ángulo tiene por valor máximo la unidad, si n > n, para ciertos ángulos de incidencia el seno del ángulo de refracción debe ser mayor que 1, al ser imposible el rayo se refleja totalmente. 24 4

5 La refracción explica Los espejismos Si un rayo entra en un medio de mayor índice de refracción se acerca a la normal a la superficie. Si consideramos varios medios superpuestos de índice de refracción cada vez mayores el rayo se acerca cada vez más a la normal. El aire caliente se comporta como capas de aire de índice de refracción cada vez mayores. 25 Aplicaciones de la reflexión y de la refracción Ya hemos visto que la luz al llegar a la frontera de dos medios se refleja y se refracta En muchos casos conseguimos que un efecto sea muy superior al otro y tenemos las lentes y los espejos. 26 Lentes 27 Lentes convergentes Lentes divergentes (formación de imágenes) Lentes divergentes

6 Espejos Los espejos pueden ser: cóncavos convexos Los puntos fundamentales en ambos casos son el foco y el centro de curvatura Espejos cóncavos Espejos cóncavos II Espejos convexos Espejos convexos II Interferencias Se producen cuando dos ondas afectan a la vez a un mismo punto. Según el valor de la diferencia de distancias (d 2 d 1 ) del punto a cada foco tendremos: - Interferencia constructiva: (d 2 d 1 ) = n λ - Interferencia destructiva (d 2 d 1 ) = (n+1) λ/

7 Difracción La difracción de las ondas es la propiedad que tienen de bordear los bordes Este fenómeno se presenta cuando el obstáculo y la longitud de onda son del mismo orden de magnitud Si colocamos más de una rendija tendremos distintas figuras de difracción Podemos formar redes de difracción 37 7

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