FÍSICA GENERAL. Dr. Roberto Pedro Duarte Zamorano 2010 Departamento de Física Universidad de Sonora

Transcripción

1 FÍSICA GENERAL Dr. Roberto Pedro Duarte Zamorano 2010 Departamento de Física Universidad de Sonora

2 TEMARIO 0. Presentación (1hr) 1. Mediciones y vectores (4hrs) 2. Equilibrio traslacional (4hrs) 3. Movimiento uniformemente acelerado (5hrs) 4. Trabajo, energía y potencia (4hrs) 5. Fluidos en reposo (5hrs) 6. Dinámica de fluidos (5hrs) 7. Termodinámica (10hrs) 8. Electricidad y magnetismo (12hrs) 9. Óptica (8hrs) 10. Física moderna (6hrs)

3 TEMARIO 9.- ÓPTICA. (8horas) 1. Ondas. 2. Teoría cuántica de la luz. 3. Velocidad de la luz. 4. Intensidad. Reflexión. Refracción. 5. Lentes. 6. Interferencia, difracción y polarización. Tópico suplementario: El ojo Humano.

4 ONDAS. Antecedentes. El trabajo de Maxwell ( ), al establecer las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de los campos, hasta ese momento, inconexos: eléctrico y magnético, predice la existencia de ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio a la rapidez de la luz. Lo cual fue confirmado en 1887 por Heinrich Hertz ( ). A nivel conceptual, Maxwell unificó los conceptos de luz y campos eléctrico y magnético, en lo que hoy conocemos como electromagnetismo, al desarrollar la idea de que la luz es una forma de radiación electromagnética.

5 ONDAS. Antecedentes. Una onda es una perturbación que se propaga en un medio y puede ser de naturaleza muy diversa. Se clasifican, principalmente, en dos tipos: Mecánicas; y Electromagnéticas. Ejemplos del primer tipo son las ondas en el agua, las ondas en una cuerda, las ondas sonoras, etc., mientras que del segundo tipo lo son la luz visible, las ondas de radio, los rayos X, etc

6 ONDAS. Antecedentes. Las ondas mecánicas requieren de un medio material para que la perturbación se propague: las moléculas del agua, los átomos que constituyen la cuerda, las moléculas del aire, etc. En cambio, las ondas electromagnéticas NO requiere de un medio para propagarse, ya que se puede dar en el vacío. Siendo esta una propiedad fundamental que caracteriza a las ondas electromagnéticas.

7 ONDAS. Antecedentes. La longitud de onda (l) es la distancia mínima entre dos puntos idénticos de una onda, como pueden ser dos valles (o dos crestas) consecutivas. El periodo (T) es el tiempo requerido para que dos puntos idénticos (como pueden ser dos crestas o dos valles) pasen por un punto dado. La frecuencia (f) es el número de puntos idénticos (como pueden ser las crestas) que pasan por un punto en una unidad de tiempo. La amplitud (A) es el máximo desplazamiento que se tiene a partir del eje de referencia (en la figura, el eje x).

8 ONDAS. Ondas electromagnéticas. Una onda electromagnética es generada por cargas eléctricas oscilantes, y está compuesta por campos eléctricos y magnéticos que oscilan en planos perpendiculares entre sí, y a su vez, ambos planos perpendiculares a la dirección de propagación, por lo que establecemos que las ondas electromagnéticas son de carácter transversal.

9 ONDAS. Propiedades de las ondas Electromagnéticas. Las ondas electromagnéticas no requieren un medio material para propagarse. Pueden atravesar el espacio desplazándose en el vacío a una velocidad aproximada de c = km/s. Todas las radiaciones del espectro electromagnético presentan las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la difracción y la interferencia. Las longitudes de onda van desde billonésimas de metro hasta muchos kilómetros. La longitud de onda (l) y la frecuencia (n) de las ondas electromagnéticas, son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características.

10 ONDAS. El espectro electromagnético. Los diversos tipos de ondas electromagnéticas involucran un amplio intervalo de frecuencias y longitudes de onda, y no hay una división clara entre un tipo de onda y el siguiente. Este amplio rango se conoce como espectro electromagnético e involucra a todas las ondas producidas como resultante de la presencia de cargas eléctricas aceleradas. Los nombres dados a los tipos de onda son sólo por conveniencia para describir la región del espectro en la cual se encuentran.

11 ONDAS. El espectro electromagnético en función de su longitud de onda.

12 ONDAS. El espectro electromagnético y sus fuentes.

13 ONDAS. El espectro electromagnético según sus aplicaciones.

14 ONDAS. El espectro electromagnético. Resumen.

15 ONDAS. Luz Visible. El ojo humano esta tiene la capacidad de detectar una parte del espectro electromagnético, longitudes de onda de 380nm (violeta) hasta los 780nm (rojo). Los colores del espectro se ordenan como en el arco iris La luz blanca esta compuesta de luz de todos los colores.

16 TEORÍA CUÁNTICA DE LA LUZ. Antecedentes. La teoría corpuscular estudia la luz como si se tratase de un torrente de partículas sin carga y sin masa llamadas fotones, capaces de portar todas las formas de radiación electromagnética. Esta interpretación resurgió debido a que, la luz, en sus interacciones con la materia, intercambia energía sólo en cantidades discretas (múltiplos de un valor mínimo) de energía denominadas cuantos. Este hecho es difícil de combinar con la idea de que la energía de la luz se emita en forma de ondas, pero es fácilmente visualizado en términos de corpúsculos de luz o fotones.

17 TEORÍA CUÁNTICA DE LA LUZ. Antecedentes. En física moderna, el fotón es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético, tiene una masa invariante cero y viaja en el vacío con una velocidad constante c. El fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias ("dualidad onda-corpúsculo"). Es decir, se comporta como una onda en fenómenos como la refracción que tiene lugar en una lente, o en la cancelación por interferencia destructiva de ondas reflejadas; sin embargo, se comporta como una partícula cuando interacciona con la materia para transferir una cantidad fija de energía, que viene dada por la expresión. E = hf donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia.

18 TEORÍA CUÁNTICA DE LA LUZ. Antecedentes. Esto difiere de lo que ocurre con las ondas clásicas, que pueden ganar o perder cantidades arbitrarias de energía. En el SI de unidades, la constante de Planck h tiene un valor de J.s, de tal forma que si f está en Hertz, la energía estará en Joules. Para la luz visible, la energía portada por un fotón es de alrededor de Joules; esta energía es suficiente para excitar un ojo y dar lugar a la visión. El concepto moderno de fotón, que fue desarrollado gradualmente entre 1905 y 1917 por Albert Einstein, permitió explicar observaciones experimentales que no encajaban con el modelo ondulatorio clásico de la luz, como el efecto fotoeléctrico o la radiación de cuerpo negro.

19 TEORÍA CUÁNTICA DE LA LUZ. EJEMPLOS.

20 VELOCIDAD DE LA LUZ. Antecedentes. Se ha demostrado teórica y experimentalmente que la luz tiene una velocidad finita. La primera medición con éxito fue hecha por el astrónomo danés Ole Roemer en 1676 y desde entonces numerosos experimentos han mejorado la precisión con la que se conoce el dato. Actualmente el valor exacto aceptado para la velocidad de la luz en el vacío es de ,458m/s, el puede tomarse como aproximado a 3x10 8 m/s. La línea amarilla muestra el tiempo que tarda la luz en recorrer el espacio entre la Tierra y la Luna, alrededor de 1,29 segundos.

21 VELOCIDAD DE LA LUZ. Antecedentes. La velocidad de la luz al propagarse a través de la materia es menor que a través del vacío y depende de las propiedades dieléctricas del medio y de la energía de la luz. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad en un medio (v) se denomina índice de refracción (n) del medio, tal que n Dado que la velocidad de la luz al atravesar un medio es menor que c, se tiene que n siempre es mayor o igual a 1 (en el caso de que el medio sea el vacío). c v

22 VELOCIDAD DE LA LUZ. Antecedentes. Cuando la luz pasa de un medio material a otro, cambia solo la longitud de onda y no su frecuencia.

23 INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN. Antecedentes. En el contexto de la óptica geométrica, la propagación de la luz en un medio (o incluso el vacío) se da en términos de rayos que viajan en línea recta a partir de una fuente luminosa. Sin embargo, surgen algunas interrogantes: cambia su dirección cuando incide sobre una superficie de un medio cualquiera? qué pasa cuando se propaga en un medio uniforme y pasa a otro medio diferente? La primera pregunta la resuelve la primera ley de Snell (o de la reflexión), mientras que la segunda se resuelve con la segunda ley de Snell (o de la refracción).

24 INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN. Reflexión. La reflexión es el cambio de dirección de un rayo o una onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial. Ejemplos comunes son la reflexión de la luz en una superficie pulida, el sonido en una pared (formando el eco), etc.

25 INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN. Tipos de reflexión. Dependiendo de la superficie en que se de la reflexión, esta puede ser: especular o difusa Reflexión Especular: cuando la superficie es lisa los rayos reflejados viajan en direcciones paralelas NOTA: se utiliza el termino de reflexión como sinónimo de reflexión especular Reflexión difusa: en cualquier superficie áspera los rayos reflejados viajan en direcciones al azar

26 INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN. Tipos de reflexión.

27 INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN. Ley de reflexión o Primera Ley de Snell. Establece que el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia. Los ángulos de incidencia q 1 y de reflexión q 1 se miden a partir de la normal. Normal: es la línea trazada en dirección perpendicular a la superficie, en el punto donde hace contacto el rayo incidente.

28 INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN. Refracción. La refracción es el cambio de dirección que experimenta la luz al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la incidencia es oblicua con relación a la superficie de separación de los dos medios, y si éstos tienen índices de refracción distintos. Se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda.

29 INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN. Ley de refracción o Segunda Ley de Snell. La relación entre la dirección en que se propagan las ondas incidentes y las refractadas viene dada a través de la Segunda Ley de Snell que establece que el cociente entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es constante, es decir (1) q i N v 2 1 r v q q i Sen Sen q i q t v v i t (1) q i N v 2 1 r v q q i (2) q r S (2) q r S

30 INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN. Ley de refracción o Segunda Ley de Snell. 1. Rayo incidente 2. Rayo reflejado 3. Rayo refractado 4. Rayo (3) reflejado 5. Rayo (4) refractado

31 INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN. Ley de refracción o Segunda Ley de Snell. Si hacemos uso de la definición de índice de refracción (n), la Segunda Ley de Snell se puede escribir como n senq n senq Las direcciones de incidencia, refracción y reflexión se encuentran en un mismo plano perpendicular a la superficie de separación

32 INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN.

33 INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN. EJEMPLOS.

34 LENTES. Antecedentes.

35 INTERFERENCIA, DIFRACCIÓN Y POLARIZACIÓN. Antecedentes.

36 El arco iris Un fenómeno atmosférico donde se pone de manifiesto la dispersión de la luz es la formación del arco iris. 36

37 Rojo Naranj Amarill a Verd o Azul e Violeta Dispersión en un prisma. Dispersión en una gota de agua 37

38 Formación del arco iris visto por un observador parado y el sol detrás de él 38

39 FÍSICA GENERAL Dr. Roberto Pedro Duarte Zamorano 2010 Departamento de Física Universidad de Sonora