Desarrollar una investigación teniendo como base el origen de la luz como fenómeno

Transcripción

1 TP N 1 TEORIA DE LA LUZ Desarrollar una investigación teniendo como base el origen de la luz como fenómeno físico y su comportamiento. Dicho trabajo práctico requiere rigor en los datos técnicos recabados y la confección de gráficas que expliquen el comportamiento de la luz. Trabajo individual. Cuestionario: 1. Qué es la luz? La luz, es una forma de energía que se emite en forma de ondas que viajan a enorme velocidad ( km/seg en el vacío) a partir de una fuente, como el sol, una bombilla o un flash. Como forma de energía, afecta a la naturaleza de los materiales a los que alcanza, determinando en ellos ciertos cambios por ejemplo la piel se broncea y los frutos maduran. La luz se desplaza en línea recta, el comportamiento de la misma varía en función de la naturaleza del material sobre el que incida. Los opacos, como la madera, la bloquean y absorben la mayor parte de sus rayos. Los transparentes, como el cristal o el agua, se dejan atravesar. Las superficies texturadas la dispersan en todas las direcciones, y la luz que ellas reflejan es "difusa". Las superficies pulidas de vidrio o metal reflejan la luz sin dispersarla, y forman imágenes especulares. La luz es también la fuente de todos los colores; está formada por ondas de diferentes longitudes, de las que algunas son visibles al ojo, que las percibe en forma de color: las más largas como rojo y las más cortas como azul-violeta. El sol, como todas las fuentes, emite un espectro continuo de todas estas longitudes, y vemos el resultado como "blanco". Los objetos que nos rodean absorben unas longitudes y reflejan otras, por 1

2 ejemplo un tomate maduro, absorbe la mayoría del azul y el verde, y refleja el rojo, por lo que se ve de este color. 2. Definir y graficar: longitud, frecuencia y amplitud de onda. Longitud de onda: la luz puede representarse como una onda electromagnética armónica que se propaga tanto en el vacío como en medios materiales. La radiación electromagnética se describe utilizando la longitud de onda (λ) que se define como la distancia que hay que recorrer para encontrar un punto semejante a lo largo de la onda en un intervalo determinado de tiempo. Dicho en palabras más simples, la longitud de onda es la distancia entre dos máximos o compresiones consecutivos de la onda. En las ondas transversales la longitud de onda corresponde a la distancia entre dos montes o valles, y en las ondas longitudinales a la distancia entre dos compresiones contiguas. También podemos decir que es la distancia que ocupa una onda completa, se indica con la letra griega lambda (Λ) y se mide en metros. A la parte superior de la onda se le llama cresta y a la inferior se le llama valle. 2

3 Frecuencia: la longitud de onda se relaciona con la frecuencia óptica (v) mediante v = c/ λ donde c = 3x10 m/s es la velocidad de la luz en el vacío (o en el aire). Cuando la onda atraviesa diversos medios, su longitud de onda cambia. Sin embargo, la frecuencia de la radiación permanece constante una vez que la onda ha sido generada. Por lo tanto, una disminución en la velocidad da lugar a una disminución proporcional de la longitud de onda. El índice de refracción (n) es la constante de proporcionalidad y se define como el cociente entre la velocidad de la onda en el vacío y la velocidad en el medio (v) n=c/v Debido a que una onda electromagnética alcanza su velocidad máxima en el vacío, el índice de refracción es mayor que uno para la mayoría de materiales ópticos. Con un lenguaje más accesible, la frecuencia es el número de ondas producidas por segundo, se indica con la letra f minúscula. Se mide en ciclos/ segundo o hertz (Hz). Coincide con el número de oscilaciones por segundo que realiza un punto al ser alcanzado por las ondas. Las dos magnitudes anteriores, longitud y frecuencia, se relacionan entre sí para calcular la velocidad de propagación de una onda. La diferencia aumenta la frecuencia pero la amplitud de onda se conserva. Amplitud de onda (A) : es la máxima separación de la onda o vibración desde su punto de equilibrio. 3

4 Onda sinusoide: 1 = Amplitud, 2 = Amplitud de pico a pico, 3 = Media cuadrática, 4 = Periodo. 3. Qué es el espectro electromagnético? El espectro electromagnético, es toda la distribución de la radiación electromagnética según la frecuencia o longitud de onda. Todas las ondas electromagnéticas viajan con la misma velocidad en el vacío a la velocidad de la luz, que es aproximadamente metros por segundo. Sin embargo, toda la distribución cubre un amplio rango de frecuencias y longitudes de onda, y se compone de muchos sub intervalos, comúnmente conocida como porciones del espectro electromagnético. Las diversas partes poseen distintos nombres que se basan en las diferencias en el comportamiento de la emisión, transmisión y absorción de las ondas correspondientes y también en función a sus diferentes aplicaciones prácticas. No hay límites aceptados precisos entre cualquiera de estas porciones contiguas, por lo que los intervalos tienden a superponerse. El espectro electromagnético entero, desde la más baja a la más alta frecuencia (más 4

5 larga a la más corta longitud de onda), incluye todas las ondas de radio (por ejemplo, la radio y la televisión comerciales, microondas, radar), radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X, y rayos gamma. 4. Definir y graficar el espectro visible. Se denomina espectro visible a la porción del espectro electromagnético que el ojo humano es capaz de percibir. A la radiación de esta zona de longitudes de ondas se las denominan luz visible. Un ojo humano podría observar longitudes de entre 400 a 700 nm. 5

6 5. Definir y graficar: Luz directa. Reflexión. Índice de reflexión. Tipos de reflexión. Luz directa: se denomina de esta manera a la luz en la cual el rayo se dirige desde la fuente de luz hacia la superficie. Si en el rayo de luz no interfiere ningún obstáculo, al punto en la superficie se le considera iluminado. Reflexión: es un fenómeno óptico de enorme importancia, ya que si la luz no se reflejara en los objetos que nos rodean hacia nuestros ojos, no veríamos los objetos. La reflexión implica la absorción y la reemisión de la luz, mediante vibraciones electromagnéticas complejas en los átomos del medio reflejante. Este fenómeno se puede explicar mediante los rayos. Un rayo de luz que incide sobre una superficie se describe con el ángulo de incidencia. Se mide a partir de una normal: una línea perpendicular a la superficie reflejante o reflectora. 6

7 Índice de reflexión (Grado de reflexión) Se define como relación entre luz incidente y luz reflejada, por consiguiente la iluminación de una superficie no sólo depende de la cantidad de luz que incida sobre ella, sino también del grado de reflexión de esta superficie. Una superficie negro mate absorbe el 100% de la luz incidente, una superficie blanca brillante refleja prácticamente en 100% de la luz. Todos los objetos existentes poseen grados de reflexión que van desde 0% y 100%. Tipos de reflexión: - Reflexión especular: se produce cuando un rayo de luz incide sobre una superficie pulida por ejemplo espejo, cambia su dirección sin cambiar el medio por donde se propaga; decimos que el rayo de luz se refleja. 7

8 - Reflexión difusa: Cuando un rayo de luz incide sobre una superficie no pulida, los rayos no se reflejan en ninguna dirección, es decir difunden. Estos se producen por ejemplo en una madera. - Reflexión interna total: tiene lugar en los casos en que los rayos atraviesan un medio que tiene un índice de refracción que es mas grande que el del medio en el que se halla, por los que el rayo se refracta sin poder atravesar la superficie que existe entre los medios y se refleja en su totalidad. 6. Definir y graficar: Absorción, transmisión, difusión, difracción. Absorción: se denomina absorción a la conversión de luz en otra forma de energía, generalmente en energía calórica, en energía eléctrica (como la generada en las células fotoeléctricas), o en energía química (como la fotosíntesis realizada por las plantas). También puede ocurrir que cambie a una radiación de diferente longitud de onda 8

9 (fluorescencia). Un rayo de luz que atraviesa el vacío no sufre pérdida de energía, aun dispersándose. Sin embargo en su pasaje por medios materiales tienen comúnmente pérdidas de energía debido a efectos de absorción y difusión. La pérdida de energía está directamente relacionada con el tipo de material, su transparencia u opacidad: cada material tiene un coeficiente de absorción, que varía para cada longitud de onda. Este coeficiente es muy bajo para materiales de alta transparencia, mientras que para materiales de gran opacidad es tan grande que la intensidad final es prácticamente cero, medida en distancias muy cortas. En algunos materiales, el coeficiente de absorción es considerablemente diferente para las distintas longitudes de onda del espectro visible. Estos materiales cambian la distribución espectral de la luz que los atraviesa y son la base utilizada para los filtros de colores. Las superficies coloreadas funcionan como películas de absorción selectiva de determinadas longitudes de onda del espectro visible, reflejando otras. El color negro absorbe, por ejemplo, todas las longitudes de onda visibles, el blanco, ninguna. Este proceso de absorción lleva aparejado un calentamiento de la superficie por su transformación en energía calórica. Los filtros de color y difusores se ven también sometidos a este proceso de calentamiento, siendo más alto cuanto mayor es su absorción. 9

10 Transmisión: La transmisión ocurre cuando la luz atraviesa una superficie u objeto. Existen tres tipos de transmisión: - Transmisión directa: es cuando la luz atraviesa un objeto y no se producen cambios de dirección o calidad de esa luz. Por ejemplo, un vidrio o el aire. - Transmisión difusa: se produce cuando la luz pasa a través de un objeto transparente o semi-transparente con textura. Por ejemplo, un vidrio esmerilado o un papel manteca. La luz en vez de ir en una sola dirección es desviada en muchas direcciones. La luz que es transmitida de manera difusa va a ser más suave, va a tener menos contraste, va a ser menos intensa, va a generar sombras más claras y una transición más suave entre luz y sombra que la luz directa. - Transmisión selectiva: se produce cuando la luz atraviesa un objeto de color. Parte de la luz va a ser absorbida y parte va a ser transmitida por ese objeto. En el ejemplo de abajo la luz blanca (rojo, verde y azul) pasa a través de una superficie roja. El verde y el azul 10

11 son absorbidos y solo es transmitido el rojo. Por lo tanto del otro lado de esa superficie vamos a ver luz roja. Difusión: Fenómeno óptico que consiste en la distribución de la luz en todas las direcciones cuando se refleja en superficies irregulares o sin pulimentar. Para dispersar la luz no es necesario que la superficie reflectora tenga irregularidades aparentes, porque basta con que las tenga muy pequeñas, como sería el caso de una capa de pintura perfectamente lisa en apariencia, para que actúe como difusora. El término difusor suele reservarse a un medio a cuyo través la luz se transmite (como el humo o el papel de calco) con preferencia a aquellos otros que la reflejan. La difusión suaviza la luz, elimina los reflejos fuertes y las sombras densas y, en suma, suele resultar de la mayor utilidad para el fotógrafo. Las superficies y medios coloreados absorben parte de la luz además de difundirla. 11

12 Difracción: se refiere al hecho de que la luz, al igual que otras ondas, se dobla alrededor de los objetos por los que pasa, y se dispersa después de pasar a través de rendijas estrechas. Este doblamiento da lugar a un patrón de difracción provocado por la interferencia entre los rayos de luz que recorren diferentes distancias. Por lo tanto, la difracción ocurre cuando las ondas pasan a través de pequeñas aberturas, alrededor de obstáculos o por bordes afilados. Cuando un objeto opaco se encuentra entre la fuente puntual de luz y una pantalla, la frontera entre las regiones sombreadas e iluminada sobre la pantalla no está definida, además se muestra que una pequeña cantidad de luz se desvía hacia la región sombreada. La región fuera de la sombra contiene bandas alteradas brillantes y oscuras, donde la intensidad de la primera banda es más brillante que la región de iluminación uniforme. 7. Definir y graficar: Luz incidente. Se conoce como luz incidente aquella que directa o indirectamente incide (llega) al objeto. Dentro de la luz que incide al objeto, existen fuentes de luz propia como el sol, una vela, un flash etc, pero existen superficies que también rebotan luz hacia el objeto como puede ser una pared cercana, el piso, el techo, etc. 12

13 Imaginemos una persona parada al rayo del sol, cerca de una pared blanca y sobre un césped verde. La fuente directa será el sol, pero hay una gran cantidad de luz que proviene de la pared y otra menor del césped. Toda esta luz que llega de diferentes lugares a un mismo punto se conoce como luz incidental, es medible y es cuantificable. 8. Definir y graficar: Refracción. Ley de Snell. Refracción: es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda, cuando pasa de un medio a otro. 13

14 El índice de refracción relaciona la velocidad de la luz en el vacío con la velocidad de la luz en el medio. En la ecuación n= c/v donde c es la velocidad de la luz en el vacío, v es velocidad de la luz en el medio y n representa el Índice de refracción. El valor del índice de refracción permite diferenciar medios más o menos refringentes, así un medio con un valor pequeño de n es menos refringente. Ley de Snell: la refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda, cuando pasa de un medio a otro. 14

15 El material escrito se presentará anillados en formato A4 con tipografía Arial cuerpo 11 e interlineado 1 y ½ y los gráficos correspondientes perfectamente legibles. 15

16 BIBLIOGRAFÍA Boreman G. Fundamentos de electro-óptica para ingenieros. Cromer A. Física para las ciencias de la vida. Giancoli D. Física principios con aplicaciones. Langford M. La fotografía paso a paso un curso completo