Trabajo Práctico Nº3

Transcripción

1 Trabajo Práctico Nº3 Introducción al estudio de la luz Mangini, María José Cámara e Iluminación I Baca, Ernesto Diseño de Imagen y Sonido - 1er 28/04/15

2 Consigna Que el cursante pueda tener una idea clara acerca de la concepción y comportamiento de la luz, a través de un estudio científico. Actividad 1. Realizar un escrito acerca de las diversas teorías científicas sobre la actuación de luz, una descripción cronológica de estas teorías, pudiendo ser éste, un grafico en forma de línea de tiempo. Incluir fechas y autores influyentes en el pensamiento y demostración de leyes de reflexión, absorción, difracción, refracción y dispersión; teorías ondulatoria, corpuscular, electromagnética y cuántica; ideas sobre la trayectoria de la luz y la visión humana. 2. Anexar un análisis comparativo personal sobre la evolución del pensamiento científico referido a las propiedades de la luz. Extensión mínimo de 25 líneas. Qué es la luz? Se llama luz a la parte de energía electromagnética radiante que por esta condición puede ser percibida por el ojo humano sin ningún problema. La óptica es la rama de la física que estudia la luz visible; su comportamiento, características y manifestaciones. Teorías científicas sobre el comportamiento de la luz El estudio de la luz comienza cuando el hombre intenta explicar el fenómeno de la visión. Diferentes teorías se han desarrollado para poder interpretar la naturaleza de la luz hasta llegar al conocimiento actual. Los sabios de todas las épocas han tratado de descifrar qué es la luz. Los griegos (450 a.c) suponían que la luz emanaba de los objetos, y era algo así como un espectro de los mismos, extraordinariamente sutil, que al llegar al ojo del observador le permitía verlo. Dentro de la Grecia clásica Euclides (300 a.c), un matemático y geómetra griego, fue el que más avanzó en el estudio de la luz y de la óptica. Euclides realizó un estudio matemático de la luz, elaborando postulados importantes, relativos a la naturaleza de la luz y afirmó que la luz viaja en línea recta. De esta manera los griegos y los egipcios se abocaron a la solución de estos problemas sin encontrar respuestas adecuadas. Luego, con los avances realizados por la ciencia y la técnica, surgieron muchos filósofos y 2

3 matemáticos que produjeron importantes trabajos sobre la naturaleza de la luz. La primera hipótesis formulada sobre ésta fue de Christian Huygens. Teoría Ondulatoria En el año 1678, el científico Christian Huygens planteó esta teoría. Define a la luz como un movimiento ondulatorio semejante al que se produce con el sonido. Postula que la luz que es emitida por una fuente luminosa esta formada por ondas, que correspondían al movimiento específico que sigue la luz al propagarse a través del vacío en un medio insustancial e invisible llamado éter. Esta teoría si permite explicar los fenómenos de la difracción y la interferencia luminosas. Además, índica que la rapidez de la luz disminuye al penetrar al agua. En aquella época, la teoría de Huygens no fue muy considerada dado al prestigio que alcanzó Newton. Pasó más de un siglo para que fuera tomada en cuenta la Teoría Ondulatoria de la luz. Teoría Corpuscular El creador de esta teoría fue Isaac Newton, un físico inglés en el siglo XVII (1704). Dicha teoría, supone que la luz se comprende por pequeñas partículas denominadas corpúsculos los cuales no tienen masa y son emitidos por las fuentes luminosas. Estos corpúsculos se mueven en línea recta y a gran velocidad; por este motivo son capaces de atravesar los cuerpos transparentes lo que nos deja ver a través de ellos. En cambio, en los cuerpos opacos los corpúsculos rebotan, por esta razón no podemos ver a través de ellos. Esta teoría permite explicar los fenómenos de la luz como la propagación rectilínea de la luz, ya que los focos luminosos emitirían minúsculas partículas que se propagan en todas direcciones y que al chocar con nuestros ojos, producen la sensación luminosa; la refracción y reflexión pero no las interferencias y difracción. Por lo tanto sigue 3

4 siendo una teoría que no permite aclarar en su totalidad la naturaleza de la luz. Teoría Electromagnética En el siglo XIX (1873), se agregan a las teorías existentes de la época las ideas del físico James Clerk Maxwell, quien relaciona los fenómenos magnéticos con los fenómenos eléctricos. Lo que postula Maxwell es que una variación en el campo eléctrico genera una variación en el campo magnético y viceversa. Por lo tanto la luz es una onda transversal y electromagnética que se propaga a través de ondas perpendiculares entre si. Este hecho permitió descartar que existiera un medio de propagación insustancial e invisible, el éter, lo que fue comprobado por el experimento de Michelson y Morley. Sin embargo, esta teoría deja sin explicación la absorción de la luz y la emisión por cuerpos incandescentes. Para poder describir una onda electromagnética podemos utilizar los parámetros habituales de cualquier onda: Amplitud (A): Es la longitud máxima respecto a la posición de equilibrio que alcanza la onda en su desplazamiento. Periodo (T): Es el tiempo necesario para el paso de dos máximos o mínimos sucesivos por un punto fijo en el espacio. Frecuencia (ν): Número de oscilaciones del campo por unidad de tiempo. Es una cantidad inversa al periodo. Longitud de onda (λ): Es la distancia lineal entre dos puntos equivalentes de ondas sucesivas. 4

5 Velocidad de propagación (V): Es la distancia que recorre la onda en una unidad de tiempo. En el caso de la velocidad de propagación de la luz en el vacío, se representa con la letra c. Teoría de los Cuantos Esta teoría propuesta por el físico alemán Max Planck en el año 1900, postula que los intercambios de energía entre la materia y la luz son posibles pero en cantidades finitas o cuantos de luz, denominados posteriormente fotones. Esta teoría no explica los fenómenos de tipo ondulatorios, como las interferencias y la difracción. Esta teoría se contrapone con la teoría electromagnética. Posteriormente, basándose en la teoría cuántica de Planck, en 1905 el físico de origen alemán Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico por medio de los corpúsculos de luz, a los que llamó fotones. Con esto propuso que la luz se comporta como onda en determinadas condiciones. Teoría Mecánica Ondulatoria Esta teoría creada por Broglie en el año 1924 junta la teoría electromagnética como la de los cuantos heredadas de la teoría corpuscular y ondulatoria, con lo que demuestra que la luz tiene un carácter dual. Puede comportarse como onda y como partícula. Además agregó que los fotones se mueven de manera ondulatoria. En cuanto a su propagación se propaga como una onda pero su energía es transportada junto a ella como una onda luminosa por unos pequeños corpúsculos llamados fotones. Esta teoría establece, entonces, la naturaleza corpuscular de la luz 5

6 en su interacción con la materia ( proceso de emisión y absorción) y la naturaleza electromagnética de su propagación. Propiedades de la Luz Cuando la luz llega a un objeto puede pasar distintas cosas: la luz puede ser absorbida, puede ser reflejada o puede ser transmitida a través del objeto. Por ejemplo, si estamos usando una remera negra, ésta va a absorber toda la luz blanca. Si tenemos un estuche rojo, éste va a absorber el verde y el azul y va a reflejar el rojo. Por eso lo vemos de ese color. Y un objeto blanco va a reflejar toda la luz. Absorción Cuando la luz llega a una superficie u objeto, éste puede absorber toda o parte de esa luz. Cuando un objeto opaco es iluminado por la luz blanca refleja un color o una mezcla de estos absorbiendo el resto. Las radiaciones luminosas reflejadas determinarán el color con que nuestros ojos verán el objeto. Si las refleja todas será blanco y si las absorbe todas negro. 6

7 La luz que se absorbe se convierte en calor. Por esta razón es recomendable en verano usar remeras claras y no oscuras ya que éstas ultimas absorben gran parte de la luz y la convierten en calor. Por eso tenemos más calor si usamos ropa negra que si usamos ropa blanca (refleja toda la luz). Reflexión La reflexión es cuando la luz llega a un objeto y rebota o refleja, en parte o en su totalidad, de ese objeto. Hay dos tipos de reflexión. Éstos son reflexión especular o reflexión difusa. La reflexión especular ocurre cuando los rayos de luz que inciden en una superficie chocan en ella, se desvían y regresan al medio que salieron formando un ángulo igual al de la luz incidente, muy distinta a la refracción. La reflexión difusa ocurre si la superficie es mate y la luz sale desperdigada en todas direcciones, es decir, cuando la luz llega a una superficie u objeto que tiene textura como, por ejemplo, en la madera. 7

8 Una reflexión difusa produce una luz más suave en comparación a una reflexión directa. Genera menos contraste en la escena, sombras más claras y una transición más suave entre luces y sombras. Una reflexión directa va a producir una luz más intensa, mayor contraste y sombras más oscuras y marcadas. Difracción En general la difracción ocurre cuando las ondas pasan a través de pequeñas aberturas, alrededor de obstáculos, por bordes afilados o al atravesar una rendija Está más vinculada al fenómeno de la desviación de la propagación en línea recta de los frentes de onda. - Difracción de Fraunhofer: Este tipo de difracción ocurre cuando se observa una difracción producida por un objeto proyectando sobre una pantalla a una distancia muy grande del propio objeto, una distribución de intensidades conocida como patrón de difracción de Fraunhofer. La forma más sencilla de estudiar este fenómeno es con el denominado experimento de Young que consiste en hacer incidir luz monocromática en una pantalla que tiene rendija muy estrecha. La luz difractada que sale de dicha rendija se vuelve a hacer incidir en otra pantalla con una doble rendija. La luz procedente de las dos rendijas se combina en una tercera pantalla produciendo bandas alternativas claras y oscuras. 8

9 - Difracción de Fresnel: También denominada difracción del campo cercano. Es un patrón de difracción de una onda electromagnética obtenida muy cerca del objeto causante de la difracción (a menudo una fuente o apertura). Más precisamente, se puede definir como el fenómeno de difracción causado cuando el número de Fresnel es grande y por lo tanto no puede ser usada la aproximación Fraunhofer (difracción de rayos paralelos) Refracción Cuando la luz pasa de un medio transparente a otro se produce un cambio en su dirección debido a la distinta velocidad de propagación que tiene la luz en los diferentes medios materiales. A este fenómeno se le llama refracción. Las leyes que rigen el fenómeno de la refracción son: 1.ª Ley. El rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano. 2.ª Ley. (ley de Snell) es una fórmula utilizada para calcular el ángulo de refracción de la luz al atravesar la superficie de separación entre dos medios de propagación de la luz (o cualquier onda electromagnética) con índice de refracción distinto. 9

10 Dispersión La luz procede del sol. Ésta la llamamos luz blanca. La luz blanca, en realidad, es una mezcla de diferentes colores. Cuando vemos el arcoíris podemos ver los colores que componen la luz blanca. Este fenómeno, conocido como dispersión, se produce cuando un rayo de luz compuesta se refracta en algún medio quedando separados sus colores constituyentes. Tomando como ejemplo el caso del arco iris, la luz se dispersa al atravesar las gotas de agua. La visión humana La visión es la percepción que tiene el sentido de la vista, o sea el ojo, de la energía natural o artificial. Es un fenómeno que se produce en la corteza cerebral, donde se reconocen e interpretan las imágenes que llegan desde el ojo, o receptor de la información. Es decir, los estímulos luminosos recogidos (ondas de luz) por el ojo van al cerebro donde se transforman en sensaciones visuales. El ojo ve y el cerebro interpreta lo visto. La visión se realiza en cuatro fases: Percepción: La primera etapa del proceso es óptica; se puede comparar el ojo con una cámara fotográfica: la luz entra en el ojo atravesando órganos 10

11 transparentes (córnea, humor acuoso, cristalino y humor vítreo) donde se busca, sigue y enfoca la imagen. Transformación: la energía luminosa llega a la retina (a la mácula), donde se activan las células sensoriales (conos y bastones) que transforman la luz en energía nerviosa. Transmisión: los impulsos nerviosos inician su camino a través del nervio óptico hasta la corteza cerebral. Interpretación: en la corteza cerebral se interpretan los impulsos, se reconocen y se procesan para saber lo que vemos. e_la_vision.htm Análisis Comparativo Las teorías anteriormente dichas nos demuestran que con el avance de la ciencia y la técnica al pasar de los años, se lograron y surgieron muchos filósofos y matemáticos para mejorar y entender mejor la naturaleza de la luz; su movimiento, sus propiedades y su comportamiento. Qué es la luz? Los sabios de todas las épocas han tratado de responder esta pregunta. Primero comenzaron los griegos planteando que la luz emanaba de los objetos, y era algo así como un espectro de los mismos, que al llegar al ojo del observador le permitía verlo. A partir de ese primer aporte o explicación, las explicaciones históricas de las ideas sobre la naturaleza de la luz y su comportamiento constituye un ejemplo de cómo evolucionan las teorías y los modelos científicos. Esta evolución de las teorías parte con las de Isaac Newton y Christian Huygens. Huygens define a la luz como un movimiento ondulatorio semejante al que se produce con el sonido junto con Newton que supone que la luz se comprende por pequeñas partículas denominadas corpúsculos que se dispersan en todas las direcciones del espacio. Ésta fueron las teorías que abrieron paso al estudio científico de la luz. Seguido a esto, gracias a los aportes de Huygens y Newton sobre la refracción y reflexión de la luz, aparece Maxwell en el siglo XIX quien postula que ésta no se movía a través del espacio por medio de corpúsculos u ondas como la del sonido sino mediante una onda electromagnética la cual se propaga por el espacio de manera perpendicular una de la otra. 11

12 El estudio de la luz se profundizó hasta la teoría de los cuantos propuesta por Planck en 1900 la cual supone que la materia emitía o absorbía luz según su estructura atómica dando así un aporte muy importante en la física y el estudio de la luz. Llegar a estas teorías más complejas no hubiese sido posible sin las teorías planteadas anteriormente. Éstas le brindaron una importancia a la ciencia como para ser estudiada y demuestran la evolución del pensamiento científico sobre la naturaleza de la luz. Notas/ Fuentes e_la_vision.htm 12