La Luz - Ciencias

Naturaleza de la luzLa Luz

Introduciendo la luzayos de luz- Se reciben y no se emiten por los ojos- Viajan en línea recta- No necesitan un medio para propagarse- Se disipan al atravesar un medio- Existen medios en los que no haypropagación- ¿Partículas u ondas?uentes de luz: objetos a altas temperaturas,átomos excitadosfuente puntual (a)fuente extensa (b) (cada punto es un emisor)fuentes directas (reflectores, lásers)

Dualidad Onda-PartículaOndas• Contínuo, no local• Longitud de onda• Frecuencia• Difraccióninterferencia• Ecuaciones deMaxwellPartículas• Discreto, localizado• Energía• Momento• Efecto Compton• Contador (geiger)• Mecánica de Newton

Velocidad de la luz• Se consideró que tenía velocidad infinita• Para medir la velocidad de la luz necesitamos:- fuentes potentes- largas distancias- medir intervalos de tiempo pequeños• Aproximación Hippolyte Fizeau (1849)• Velocidad en el vacío: 299,792,458 m/s (~ 3x10 8 m/s)• La velocidad es menor en otros medios• La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal: nodepende de la velocidad relativa de la fuente y el observador->

Espectros atómicos• El modelo de Bohr explica la existencia de espectros• Se deben a la excitación del electrón y a la vuelta a sunivel fundamental

Propagación de la luz:• Frente de ondas: Puntos del espacio alcanzadospor la onda en un tiempo fijo ( se encuentran en lamisma fase de vibración de la perturbación)• Rayo luminoso: marca la dirección de propagaciónde la onda y es perpendicular al frente de ondas.

Propagación de la luz: Huygens yFermat• Principio de Huygens: Cada punto delfrente de ondas puede considerarse comofoco emisor de ondas secundarias. El nuevofrente de ondas será la envolvente de estasondas. Simulación• Principio de Fermat: Para ir de un punto aotro la luz se propaga por el camino ópticode tiempo mínimo

Reflexión• La reflexión de la luz se puede explicar en unmodelo de partículas• Una partícula que choca elésticamente conuna pared se refleja -• Las ondas también se reflejan- ángulo de reflexión=ángulo de incidencia• La reflexión de la luznos indica su naturaleza

Reflexión de la luz• Algunas cosas son visibles porque son fuentes de luz• Otras, reflejan la luz• Reflexión en superficies rugosas: reflexión difusa• Reflexión en superfices suaves: reflexión especular• Es independiente del color ( frecuencia)

Reflexión de la luz: leyes1.El ángulo de reflexión es igual al deincidencia2. El rayo reflejado, la normal y el incidenteestán en el mismo plano

Refracción• Refracción según Newton:- Las partículas experimentan una fuerzadirigida hacia el material- La fuerza perpendicular hace acercarse alas partículas hacia la normal- predice una relación entre él ángulo derefracción y el de incidencia• Refracción como ondas:- La frecuencia es la misma en los dosmateriales- La velocidad de la onda es diferente enlos dos materiales v=c/n- Cambia la longitud de ondas- Existe una relación entre el ángulo deincidencia y el de refracción:sin( α =1) n1sin( α2)n

Índice de Refracción• Cuando la luz pasa de un material a otrocambia de dirección: refracción• Depende de las propiedades ópticas de losdos medios --> caracterizadas por su índicede refracción: n• n es un número: n=1 para el vacío, n=1.33agua, n=2.42 diamante, n=1.5-1.9 vídrio…….• El índice de refracción define la velocidadde la luz en el medio v=c/nConceptos geométricos:-rayo incidente-rayo refractado-normal en el punto de incidencia-ángulo incidente

Las leyes de la refracción de Snell• Si la luz viaja del material 1 con índice derefracción n 1 al material 2 con índice derefracción n 2 , las siguientes leyes determinan ladirección del rayo refractado:El rayo incidente, la normalal punto de incidencia y elrayo refractado están todosen el mismo planosin( α =) n sin( α )1 12n2α 1α 212

Reflexión interna total• En la superficie de contacto de dosmateriales aparecen la reflexión y larefracción• Bajo ciertas condiciones no hayrefracción --> ¡La reflexión es total!• Sucede cuando la luz pasa a un mediocon un índice de refracción menor y elángulo de incidencia es mayor que uncierto ángulo críticon2< n1,α α =sin α c=n01≥ αc⇒2902α 1α 212

- Si la luz va de capas de índice derefracción mayor a índice derefracción menor --> reflexión total:espejismosEjemplos de reflexión total• Refracción Atmosférica- La atmósfera está hecha con capas dediferente densidad y temperatura-->Tienen diferente índice derefracción --> la luz se refracta- distorsión de la forma de laLuna o el Sol en el horizonte- Posición aparente de lasestrellas diferente de la real

Reflexión total: fibra óptica•Guías de luz: son fibras ópticas usadas en comunicación,medicina, ciencia, decoración, fotografía….

Dispersión• El índice de refracción de unmedio depende de lafrecuencia del rayo de luzn >viol .n rojo• La luz violeta se refracta másque la roja ..…..• Se puede descomponer la luzblanca en sus componentes:prismas, arco irís…

Curiosidades I• El cielo es azul porque las moléculasde aire dispersan ( absorben y emiten)las longitudes de onda cortas ( azulesy violetas).• En el horizonte se ve más blancodebido a que parte de la luz azul se haido en otras direcciones.• El sol se observa amarillo porque laatmósfera ha dispersado los azules yvioletas.• En el espacio exterior, sin atmósfera,el cielo es negro ( no hay dispersión)y el sol es blanco ( se ven todas laslongitudes de onda)

Curiosidades II• Al atardecer o al amanecerla luz del sol debe hacerun largo recorrido a travésde la atmósfera hastallegar a nuestros ojosgran parte de la luz azul eincluso verde se refleja yse dispersa quedan lostonos naranjas y rojos.Pueden darse otrastonalidades si en el airehay moléculas de agua opolvo.