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la luz tercer periodo

– La luz

*teoría acerca dela naturaleza de la luz

1. Modelo corpuscular.

Se la conoce como teoría corpuscular o de la emisión. A finales del siglo XVI, con el uso de lentes e instrumentos ópticos, empezaran a experimentarse los fenómenos luminosos, siendo el holandés Willebrord Shell, en 1620, quién descubrió experimentalmente la ley de la refracción, aunque no fue conocida hasta que, en 1638, René Descartes(1596-1650) publicó su tratado: Óptica. Descartes fue el primer gran defensor de la teoría corpuscular, diciendo que la luz se comportaba como un proyectil que se propulsaba a velocidad infinita, sin especificar absolutamente nada sobre su naturaleza, pero rechazando que cierta materia fuera de los objetos al ojo.

Explicó claramente la reflexión, pero tuvo alguna dificultad con la refracción.

Según Newton, las fuentes luminosas emiten corpúsculos muy livianos que se desplazan a gran velocidad y en línea recta. Podemos fijar ya la idea de que esta teoría además de concebir la propagación de la luz por medio de corpúsculos, también sienta el principio de que los rayos se desplazan en forma rectilínea.

Como toda teoría física es válida en tanto y en cuanto pueda explicar los fenómenos conocidos hasta el momento, en forma satisfactoria.

Newton explicó que la variación de intensidad de la fuente luminosa es proporcional a la cantidad de corpúsculos que emite en determinado tiempo.

La reflexión de la luz consiste en la incidencia de dichos corpúsculos en forma oblicua en una superficie espejada, de manera que al llegar a ella varía de dirección pero siempre en el mismo medio.

La igualdad del ángulo de incidencia con el de reflexión se debe a la circunstancia de que tanto antes como después de la reflexión los corpúsculos conservan la misma velocidad (debido a que permanece en el mismo medio).

La refracción la resolvió expresando que los corpúsculos que inciden oblicuamente en una superficie de separación de dos medios de distinta densidad son atraídos por la masa del medio más denso y, por lo tanto, aumenta la componente de la velocidad que es la velocidad que es perpendicular a la superficie de separación, razón por la cual los corpúsculos luminosos se acercan a la normal.

El fenómeno de la birrefrigencia del espato de Islandia descubierto por el danés Bartolinas en 1669, quiso ser justificado por Newton suponiendo que los corpúsculos del rayo podían ser rectangulares y sus propiedades variar según su orientación respecto a la dirección de la propagación.

Según lo expresado por Newton, la velocidad de la luz aumentaría en los medios de mayor densidad, lo cual contradice los resultados de los experimentos realizados años después.

Esta explicación, contradictoria con los resultados experimentales sobre la velocidad de la luz en medios más densos que el vacío, obligó al abandono de la teoría corpuscular.

Modelo ondulatorio.

Propugnada por Christian Huyen en el año 1678, describe y explica lo que hoy se considera como leyes de reflexión y refracción. Define a la luz como un movimiento ondulatorio semejante al que se produce con el sonido.

Propuso el modelo ondulatorio, en el que se defendía que la luz no era mas que una perturbación ondulatoria, parecida al sonido, y de tipo mecánico pues necesitaba un medio material para propagarse. Supuso tres hipótesis:

  1. todos los puntos de un frente de ondas eran centros emisores de ondas secundarias;
  2. de todo centro emisor se propagaban ondas en todas direcciones del espacio con velocidad distinta en cada medio;
  3. como la luz se propagaba en el vacío y necesitaba un material perfecto sin rozamiento, se supuso que todo el espacio estaba ocupado por éter, que hacía de soporte de las ondas.

hora, como los físicos de la época consideraban que todas las ondas requerían de algún medio que las transportaran en el vacío, para las ondas lumínicas se postula como medio a una materia insustancial e invisible a la cual se le llamó éter.

Justamente la presencia del éter fue el principal medio cuestionador de la teoría ondulatoria. En ello, es necesario equiparar las vibraciones luminosas con las elásticas transversales de los sólidos sin que se transmitan, por lo tanto, vibraciones longitudinales. Aquí es donde se presenta la mayor contradicción en cuanto a la presencia del éter como medio de transporte de ondas, ya que se requeriría que éste reuniera alguna característica sólida pero que a su vez no opusiera resistencia al libre transito de los cuerpos sólidos. (Las ondas transversales sólo se propagan a través de medios sólidos.)

En aquella época, la teoría de Huyen no fue muy considerada, fundamentalmente, y tal como ya lo mencionamos, dado al prestigio que alcanzó Newton. Pasó más de un siglo para que fuera tomada en cuenta la Teoría Ondulatoria de la luz. Los experimentos del médico inglés Young sobre los fenómenos de interferencias luminosas, y los del físico francés Auguste Jean Fresnal sobre la difracción fueron decisivos para que ello ocurriera y se colocara en la tabla de estudios de los físicos sobre la luz, la propuesta realizada en el siglo XVII por Huyen.

Young demostró experimentalmente el hecho paradójico que se daba en la teoría corpuscular de que la suma de dos fuentes luminosas pueden producir menos luminosidad que por separado. En una pantalla negra practica dos minúsculos agujeros muy próximos entre sí: al acercar la pantalla al ojo, la luz de un pequeño y distante foco aparece en forma de anillos alternativamente brillantes y oscuros. ¿Cómo explicar el efecto de ambos agujeros que por separado darían un campo iluminado, y combinados producen sombra en ciertas zonas? Young logra explicar que la alternancia de las franjas por la imagen de las ondas acuáticas. Si las ondas suman sus crestas hallándose en concordancia de fase, la vibración resultante será intensa. Por el contrario, si la cresta de una onda coincide con el valle de la otra, la vibración resultante será nula. Deducción simple imputada a una interferencia y se embrión la idea de la luz como estado vibratorio de una materia insustancial e invisible, el éter, al cual se le resucita.

Ahora bien, la colaboración de Auguste Fresnal para el rescate de la teoría ondulatoria de la luz estuvo dada por el aporte matemático que le dio rigor a las ideas propuestas por Young y la explicación que presentó sobre el fenómeno de la polarización al transformar el movimiento ondulatorio longitudinal, supuesto por Huyen y ratificado por Young, quien creía que las vibraciones luminosas se efectuaban en dirección paralela a la propagación de la onda luminosa, en transversales. Pero aquí, y pese a las sagaces explicaciones que incluso rayan en las adivinanzas dadas por Fresnal, inmediatamente queda presentada una gran contradicción a esta doctrina, ya que no es posible que se pueda propagar en el éter la luz por medio de ondas transversales, debido a que éstas sólo se propagan en medios sólidos.

En su trabajo, Fresnal explica una multiplicidad de fenómenos manifestados por la luz polarizada. Observa que dos rayos polarizados ubicados en un mismo plano se interfieren, pero no lo hacen si están polarizados entre sí cuando se encuentran perpendicularmente. Este descubrimiento lo invita a pensar que en un rayo polarizado debe ocurrir algo perpendicularmente en dirección a la propagación y establece que ese algo no puede ser más que la propia vibración luminosa. La conclusión se impone: las vibraciones en la luz no pueden ser longitudinales, como Young lo propusiera, sino perpendiculares a la dirección de propagación, transversales.

Las distintas investigaciones y estudios que se realizaron sobre la naturaleza de la luz, en la época en que nos encontramos de lo que va transcurrido del relato, engendraron aspiraciones de mayores conocimientos sobre la luz. Entre ellas, se encuentra la de lograr medir la velocidad de la luz con mayor exactitud que la permitida por las observaciones astronómicas. Hippolyte Fiza (1819- 1896) concretó el proyecto en 1849 con un clásico experimento. Al hacer pasar la luz reflejada por dos espejos entre los intersticios de una rueda girando rápidamente, determinó la velocidad que podría tener la luz en su trayectoria, que estimó aproximadamente en 300.000 km./s. Después de Fiza, lo siguió León Foucault (1819 – 1868) al medir la velocidad de propagación de la luz a través del agua. Ello fue de gran interés, ya que iba a servir de criterio entre la teoría corpuscular y la ondulatoria.

La primera, como señalamos, requería que la velocidad fuese mayor en el agua que en el aire; lo contrario exigía, pues, la segunda. En sus experimentos, Foucault logró comprobar, en 1851, que la velocidad de la luz cuando transcurre por el agua es inferior a la que desarrolla cuando transita por el aire. Con ello, la teoría ondulatoria adquiere cierta preeminencia sobre la corpuscular, y pavimenta el camino hacia la gran síntesis realizada por Maxwell.

En 1670, por primera vez en la historia, el astrónomo danés Olaf Roerme pudo calcular la velocidad de la luz.

Se hallaba estudiando los eclipses de uno de los satélites de Júpiter, cuyo período había determinado tiempo atrás. Estaba en condiciones de calcular cuales serían los próximos eclipses. Se dispuso a observar uno de ellos, y con sorpresa vio que a pesar de que llegaba el instante tan cuidadosamente calculado por él, el eclipse no se producía y que el satélite demoró 996 ser. en desaparecer.

Roerme realizó sus primeros cálculos cuando la tierra se encontraba entre el Sol y Júpiter; pero cuando observó el retraso en el eclipse era el Sol quien se encontraba entre la Tierra y Júpiter.

Por lo tanto la luz debía recorrer una distancia suplementaria de 299.000.000 Km., que es el diámetro de la órbita terrestre, por lo tanto:

Bel. Luz = Día. Órbita terrestre 299.000.000 Km / Atraso observado 996 ser. = 300.200 Km/ser.

Observaciones posteriores llevaron a la conclusión que el atraso en cuestión era de 1.002 ser. , lo cual da por resultado que la velocidad de la luz sería de 298.300 Km/ser.

Si se consideraba onda, la luz debería atravesar los obstáculos, como el sonido. Como no era así, se precisaba de alguna nueva hipótesis. Aún mas considerando que tampoco podía explicar los fenómenos de polarización. Todos estos problemas, junto al prestigio de Newton que defendía la teoría contraria, relegó a un segundo plano, durante algún tiempo, el modelo ondulatorio.

En 1849, el físico francés Fiza, logró medir la velocidad de la luz con una experiencia hecha en la tierra.

Envió un rayo de luz, por entre los dientes de una rueda dentada que giraba a gran velocidad, de modo que se reflejara en un espejo y volviera hacia la rueda.

Esta relación de velocidad entre el camino recorrido por la luz en su ida y vuelta y las revoluciones de la rueda dentada, fue la que tomó Fiza de base para calcular la velocidad de la luz.

Modelo electromagnético.

Si bien en la separata 1.03 de este ensáyanos referiremos a ella con una relativa extensión, cuando hablemos del electromagnetismo, aquí podemos señalar sucintamente que fue desarrollada por quien es considerado el más imaginativo de los físicos teóricos del siglo XIX, nos referimos a James Clark Maxwell (1831-1879). Este físico inglés dio en 1865 a los descubrimientos, que anteriormente había realizado el genial autodidacta Michael Fardada, el andamiaje matemático y logró reunir los fenómenos ópticos y electromagnéticos hasta entonces identificados dentro del marco de una teoría de reconocida hermosura y de acabada estructura. En la descripción que hace de su propuesta, Maxwell propugna que cada cambio del campo eléctrico engendra en su proximidad un campo magnético, e inversamente cada variación del campo magnético origina uno eléctrico.

Dado que las acciones eléctricas se propagan con velocidad finita de punto a punto, se podrán concebir los cambios periódicos – cambios en dirección e intensidad – de un campo eléctrico como una propagación de ondas. Tales ondas eléctricas están necesariamente acompañadas por ondas magnéticas indisolublemente ligadas a ellas. Los dos campos, eléctrico y magnético, periódicamente variables, están constantemente perpendiculares entre sí y a la dirección común de su propagación. Son, pues, ondas transversales semejantes a las de la luz. Por otra parte, las ondas electromagnéticas se transmiten, como se puede deducir de las investigaciones de Weber y Kohlrausch, con la misma velocidad que la luz. De esta doble analogía, y haciendo gala de una espectacular volada especulativa Maxwell termina concluyendo que la luz consiste en una perturbación electromagnética que se propaga en el éter. Ondas eléctricas y ondas luminosas son fenómenos idénticos.

Veinte años más tarde, Huiriche Hertzio (1857-1894) comprueba que las ondas hertzianas de origen electromagnético tienen las mismas propiedades que las ondas luminosas, estableciendo con ello, definitivamente, la identidad de ambos fenómenos.

Hertzio, en 1888, logró producir ondas por medios exclusivamente eléctricos y, a su vez, demostrar que estas ondas poseen todas las características de la luz visible, con la única diferencia de que las longitudes de sus ondas son manifiestamente mayores. Ello, deja en evidencia que las ondas eléctricas se dejan refractar, reflejar y polarizar, y que su velocidad de propagación es igual a la de la luz. La propuesta de Maxwell quedaba confirmada: ¡la existencia de las ondas electromagnéticas era una realidad inequívoca! Establecido lo anterior, sobre la factibilidad de transmitir oscilaciones eléctricas sin inalámbricas, se abrían las compuertas para que se produjera el desarrollo de una multiplicidad de inventivas que han jugado un rol significativo en la evolución de la naturaleza humana contemporánea.

Pero las investigaciones de Maxwell y Hertzio no sólo se limitaron al ámbito de las utilizaciones prácticas, sino que también trajeron con ellas importantes consecuencias teóricas. Todas las radiaciones se revelaron de la misma índole física, diferenciándose solamente en la longitud de onda en la cual se producen. Su escala comienza con las largas ondas hertzianas y, pasando por la luz visible, se llegan a la de los rayos ultravioletas, los rayos X, los radiactivos, y los rayos cósmicos.

Ahora, la teoría electromagnética de Maxwell, pese a su belleza, comporta debilidades, ya que deja sin explicación fenómenos tan evidentes como la absorción o emisión; el fotoeléctrico, y la emisión de luz por cuerpos incandescentes. En consecuencia, pasado el entusiasmo inicial, fue necesario para los físicos, como los hizo Planco en 1900, retomar la teoría corpuscular.

ero la salida al dilema que presentaban las diferentes teorías sobre la naturaleza de la luz, empezó a tomar forma en 1895 en la mente de un estudiante de dieciséis años, Albert Einstein, que en el año 1905, en un ensayo publicado en el prestigioso periódico alemán Anales de la física, abre el camino para eliminar la dicotomía que existía sobre las consideraciones que se hacían sobre la luz al introducir el principio que más tarde se haría famoso como relatividad.

-Propagación rectilínea dela luz

La línea recta de propagación de la luz se denomina rayo luminoso. Se utilizan líneas rectas para representar las ondas luminosas y explicar la existencia de sombras, penumbras y eclipses.

Si colocamos delante de un foco luminoso extenso (luz de una linterna) un cuerpo opaco, observamos que detrás de él aparecen:

  • Zonas donde no llega ningún rayo de luz (zona de sombra).
  • Otras donde llegan solamente algunos rayos de luz (zona de penumbra).
  • Otras donde llegan todos los rayos de luz (zona iluminada).

-reflexión dela luz

LEYES DE REFLEXION DE LA LUZ.

Cuando la luz llega a la superficie de un cuerpo, esta se refleja total o parcialmente en todas direcciones. Si la superficie es lisa como un espejo, los rayos son reflejados o rechazados en una sola dirección; toda superficie que refleja los rayos de luz recibe el nombre de espejo.

EJEMPLO.

El agua de una alberca o un lago, o los espejos de cristal que a su vez pueden ser planos o esféricos.

Al rayo de luz que llega al espejo se le denomina incidente, y al rayo rechazado por el se le llama reflejado.

Las leyes de la reflexión; EE representa la superficie del espejo; NN es una línea imaginaria perpendicular a la superficie reflectora en el punto donde incide el rayo de luz y recibe el nombre de normal; I es el rayo incidente; R el rayo reflejado; i es el rayo de reflexión; y O es el punto donde incide el rayo I.

LAS LEYES DE REFLEXIÓN SON:

  El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran en un mismo plano.

  El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Cuando estamos frente a un espejo plano nuestra imagen es derecha porque conserva la misma posición; virtual porque se ve como si estuviera dentro del espejo ( la imagen real es la que se recibe en una pantalla), y es simétrica porque aparentemente está a la misma distancia de la del espejo.

-ESPEJOS PLANOS ANGULARES.

Se forman espejos planos angulares cuando se unen dos espejos planos por uno de sus lados formando un cierto ángulo. Al colocar un objeto entre ellos se observará un número n de imágenes, que dependerá de la medida del ángulo; el número de imágenes que se producirán entre dos espejos planos angulares se calcula con la siguiente ecuación

n= 360° -1

A

Donde:

n = número de imágenes que se forman

a= ángulo que forman entre sí los espejos

EJEMPLO

Si dos espejos planos forman un ángulo de 90° , ¿Cuántas imágenes producirán de un objeto?

Datos

A=90°

n=?

Fórmula y desarrollo

De la ecuación 55 se tiene:

n= 360° -1
a

Sustituyendo

n=360°-1

90°

n=4-1

n= 3 imágenes

ESPEJOS ESFÉRICOS.

Los espejos esféricos son casquetes de una esfera hueca, los cuales reflejan los rayos luminosos que inciden en ellos. Son cóncavos cuando la superficie reflectora es la parte interior, y convexos si la superficie reflectora es la parte exterior.

Representación de un espejo cóncavo (b) Representación de un espejo convexo.

Elementos principales de un espejo esférico

Se muestran los principales elementos de un espejo esférico. En ella:

C = centro de curvatura, centro de la esfera de la que se obtuvo el espejo

V = vértice, polo del casquete o punto donde el eje principal hace contacto con el espejo.

E = eje principal, recta que pasa por C y V

Es = eje secundario, cualquier recta que pase por C

F = foco, punto del eje principal en que coinciden los rayos reflejados o sus prolongaciones; es el punto medio entre C y V.

Va = la distancia focal, que representa la distancia existente entre V y F o entre F y C; es la mitad del radio de curvatura.

-Espejos convexos

  • En la pasada lección, estudiamos la reflexión de la luz en los espejos cóncavos y la formación de imágenes.  Se demostró que los espejos cóncavos pueden producir imágenes reales e imágenes virtuales, dependiendo de la distancia entre el objeto y el espejo.  Investigamos como los diagramas de rayos y el método matemático sirven para proveer información de la imagen. En esta lección nos dedicaremos a estudiar a los espejos convexos y las imágenes que estos producen.

Objetivos

  • Terminada la lección: Describirás las características de la imagen formada por un espejo convexo a partir de los métodos: diagrama de rayos y ecuación del espejo. Enumerarás ejemplos de usos para los espejos convexos.

Introducción

  • Un espejo convexo es una porción de una esfera con la parte reflexiva en su exterior.  El centro de la esfera se conoce como el centro de curvatura ( C ) y la línea que pasa por el centro de curvatura hasta el espejo se conoce como eje principal.  Los espejos convexos, al igual que los espejos cóncavos, tienen un punto focal que se encuentra entre el centro de curvatura y el espejo.  Debemos mencionar que el foco y el centro de curvatura en el espejo convexo, quedan del lado opuesto a la superficie reflexiva.  Es decir, están detrás del espejo.  Por ello, el punto focal de un espejo convexo es negativo.

Divergencia del espejo convexo

  • Los espejos convexos, son también conocidos como espejos divergentes.  Debido a su habilidad de hacer que los rayos de luz provenientes de un punto se alejen y no se intersequen este sí.  Por esta razón los espejos convexos no forman imágenes reales.

Divergencia del espejo convexo

  • Al igual que los espejos cóncavos, podemos determinar las características de la imagen a partir del diagrama de rayos y del método matemático

Diagrama de rayos

  • El método del diagrama de rayos para los espejos convexos, se basa en dos principios fundamentales:
  • Cualquier rayo incidente paralelo al eje principal del espejo convexo, se reflejará de manera tal que su extensión pasará por el punto focal.
  • Cualquier rayo incidente que incida en el espejo y su extensión pase por el foco, su reflejo será paralelo al eje principal.

Para dibujar el diagrama de rayos deberás seguir varios pasos:

  • Deberás dibujar el espejo y su eje principal.
  • Deberás identificar el centro de curvatura y el punto focal.  Debes tener en consideración la proporción. 
  • Luego deberás dibujar el objeto en su posición respecto al espejo.
  • Deberás trazar dos rayos incidentes desde el objeto hacia el espejo.  Uno en forma paralela al eje principal y el otro en dirección al punto focal.
  • Cuando el rayo paralelo al eje principal incida sobre el espejo, se reflejará como si se extendiera desde el foco.  Dibuja este rayo reflejado.
  • El rayo incidente que se trazó en dirección al punto focal, al reflejarse sobre el espejo, producirá un rayo reflejado paralelo al eje principal. Traza este rayo.
  • El punto donde se intersequen las extensiones de ambos rayos, será el lugar donde forme la imagen.

Como dibujar un diagrama de rayos

  • Fíjate que la imagen es una virtual, invertida y reducida. 
  • La altura de la imagen es menor que la altura del objeto. 
  • La distancia del objeto es mayor que la distancia de la imagen.

Método matemático

  • Mientras que el método de diagrama de rayos nos ayuda a determinar las características de la imagen formada por un espejo convexo, la realidad es que no nos provee información cuantitativa de la imagen.  Para obtener información cuantitativa, se debe utilizar el método matemático.  Este método utiliza dos ecuaciones básicas: la ecuación del espejo y la ecuación de magnificación. La ecuación del espejo, expresa la relación cuantitativa entre la distancia del objeto (d o), la distancia de la imagen (d i ) y el largo focal ( f ).  En este tipo de espejo el largo focal es negativo.

 

  • La ecuación de magnificación, expresa la relación entre la razón de la distancia de la imagen (di) y la distancia del objeto (d o); así como la altura de la imagen (h i) y la altura del objeto (h o).

Ejemplo

  • Una vela de 4.0 cm de alto, se coloca frente a un espejo cóncavo a una distancia de 35.5 cm.  Determina la distancia y la altura de la imagen si el largo focal del espejo es de -12.2 cm

-Construcción de las imágenes

¿Por qué hay espejos que agrandan, otros que achican y otros, incluso, donde nos cuesta trabajo reconocernos?

¿Podemos saber cómo va a ser la imagen de un objeto antes de ponerlo frente a un espejo?

Objetivos
Conocer un método de construcción de las imágenes reflejadas en los distintos tipos de espejo.

Determinar de forma práctica diferentes conceptos ópticos como distancias focales, tamaños, radios de curvatura, etc…

Estudiar la variación de las imágenes en función de las distancias relativas.

 

Antes de experimentar con este Apple deberías haber pasado por Óptica (I) Espejos

Para conocer las características de las imágenes reflejadas en espejos basta con dibujar lo que le ocurren a tres rayos que salen de un punto del objeto:
– un rayo paralelo al eje óptico. Se refleja pasando por el foco si el espejo es cóncavo, o parece que proviene del foco si es espejo es convexo Óptica (I)

– un rayo que pasa por el foco en un espejo cóncavo o se dirige al foco en un convexo. Se refleja paralelo al eje óptico.

– un rayo que se dirige al centro del del espejo que se refleja con el mismo ángulo que el de incidencia.

Según vayamos colocando el objeto delante, detrás o en el foco, iremos viendo las características de la imagen, que puede ser:

De igual, mayor o menor tamaño; derecha o invertida; y real o virtual.

Se llama aumento lateral del espejo a la relación (cociente) entre el tamaño de la imagen y el del objeto.

EXPERIENCIA

Puedes variar el tamaño y la posición del objeto pinchándolo y arrastrándolo.
Estudia cómo es la imagen formada cuando se coloca el objeto en diferentes posiciones del eje óptico. Mide distancias a partir de las coordenadas que aparecen en pantalla (expresadas en cm). Puedes conocer el ángulo de cualquier rayo pinchando sobre un punto del rayo, moviendo el ratón sin soltar y aparecerá su valor en lugar de las coordenadas.

Comentarios en: "la luz tercer periodo" (1)

  1. No aparecen imàgenes relacionadas con espejos planos y esfèricos.

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