tema3 la luz

8/2/2019 Tema3 La Luz

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LA LUZ TEORIAS-PROPIEDADES -

FENOMENOS

Capitulo III


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Ideas sobre la luz

La luz y los fenmenos relacionados con ella han intrigadoa la humanidad desde hace ms de 2.000 aos.

Sabemos lo importante que es la luz para para el hombre,para la funcin cloroflica de las plantas, para el clima, etc.

Desde el punto de vista de la energa, todos sabemos quelos cuerpos de color oscuro se calientan ms que los decolores claros cuando reciben luz. Esto se debe a que elcolor que percibimos de los cuerpos es precisamente la

parte de la luz que no han absorbido. Mientras ms energa luminosa absorba un cuerpo, ms se

calentar.


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El hombre siempre se ha

preguntado qu es la luz:

Los antiguos griegos ya haban observado algunosfenmenos asociados con la luz como la propagacinrectilnea, la reflexin y la refraccin.

Una idea para explicar la naturaleza de la luz propona que

se trataba de "algo emitido por el ojo"que chocaba contralos objetos y permita verlos.

Ms adelante se propuso que la luz deba proceder de losobjetos que se vean y que al llegar al ojo produca el efectode la visin.

Ninguna de las dos hiptesis explicaba por qu no seemiten rayos en la oscuridad, as que se plante una nuevahiptesis que identificaba la luz como algo procedente delSol y de los cuerpos incandescentes.


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La luz est compuesta por partculas o es un tipo demovimiento ondulatorio ha sido una de las ms

interesantes interrogantes en la historia de la ciencia.

Se puede definir a la luz como una forma de energaradiante, es decir energa que se propaga en lnea recta a

travs de un medio cualquiera o el vaco.

DEFINICION DE LA LUZ

La luz: onda o

partcula ?


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TEORAS SOBRE LA

NATURALEZA DE LA LUZ Las ideas modernas acerca de la

naturaleza de la luz nacen a principiosde siglo XVIII, de la conjuncin de dosconceptos aparentemente excluyentesque, durante largo tiempo, dividieron a

los hombres de ciencia en dos gruposa veces enconadamente antagnicos:la hiptesis corpuscular y la hiptesisondulatoria.


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Las teoras ms destacadas

1. La Teora corpuscular desarrolladapor Isaac Newton

2. La teora ondulatoria o de lasondas luminosas de Huygens3. La teora electromagntica del

Escocs James Clerk Maxwell.4. La teora de losquantacorrespondiente a Planck y Einsten.


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NEWTON TEORIACORPUSCULAR

Al iniciarse el siglo XVIII, Newton propone que : La luz est compuesta por partculas luminosas, de

distinto tamao segn el color, que son emitidas por loscuerpos luminosos y que producen la visin al llegar a

nuestros ojos, los cuales se propagan en lnea recta ,pueden atravesar medios transparentes y ser reflejadospor materias opacas.

Newton se apoyaba en los siguientes hechos:

La trayectoria seguida por los corpsculos es rectilnea y

por ello la luz se propaga en lnea recta. Cuando se interpone un obstculo, los corpsculos no

pueden atravesarlo y as se produce la sombra. La reflexin se debe al rebote de los corpsculos sobre

la superficie reflectora.


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Sin embargo no se podaexplicar:

Los cuerpos, al emitir corpsculos, deban perdermasa y esto no se haba observado.

Ya se conoca el fenmeno de la refraccin y nopoda explicarse por qu algunos corpsculos sereflejaban y otros se refractaban.

Segn Newton, la refraccin se deba a un aumentode velocidad de los corpsculos de luz.


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HUYGENS TEORIA ONDULATORIA

Huygens, en la misma poca, proponeque la luz es una onda basndose en las

observaciones siguientes: La masa de los cuerpos que emiten luz no

cambia. La propagacin rectilnea y la reflexin se

pueden explicar ondulatoriamente La refraccin es un fenmeno tpico de las

ondas.


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No obstante quedaban cosassin explicar:

No se encontraba una explicacin parala propagacin de la luz en el vaco, ya

que se pensaba que todas las ondasnecesitaban un medio material parapropagarse.

No se haban observado en la luz losfenmenos de interferencia y dedifraccin que ya se conocan para las

ondas.


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La teora corpuscular de Newton fueaceptada durante todo el siglo XVIII,posiblemente por la gran fama yautoridad de ste.

En el siglo XIX se observan en la luzlos fenmenos de interferencia ydifraccin y se revitaliza la idea de laluz como onda.

En el siglo XX aceptamos que la luz se

comporta como onda y como partcula.


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TEORIAELECTROMAGNETICA

En 1873, el fsico Escocs James Clerk Maxwellpublic la teora electromagntica que considerabaa la luz formada por ondas, pero afirmaba que lasondas eran electromagnticas.

Maxwell propugna que cada cambio del campoelctrico provoca en su proximidad un campomagntico, e inversamente cada variacin del campomagntico origina uno elctrico. Tales ondaselctricas estn necesariamente acompaadas por

ondas magnticas indisolublemente ligadas a ellas.Los dos campos, elctrico y magntico,peridicamente variables, estn constantementeperpendiculares entre s y a la direccin comn de supropagacin


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Teora Cuntica de Max Planck

El fsico alemn Max Planck public en el aode 1901 su teora cuntica. Planck llego a laconclusin de que la luz esta formada por

pequeos paquetes de energa fotones yque las radiaciones oscilatorias, al incidir sobreun cuerpo negro, originaban energadiscontinuamente en unidades llamadas

quanta.En el caso de la energa luminosa estos

cuantos reciben el nombre de fotones.


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1905 - Naturaleza de la luz Albert Einstein postula que la energa de un haz

luminoso est concentrada en pequeos paquetes ofotones (en lugar de estar distribuida por el espacioen los campos elctricos y magnticos de una onda

electromagntica). Einsten, aplic a la luz la teora de la emisin de

quantadesarrollada por Planck para el cuerponegro de donde naci el concepto segn el cual la

luz posee un carcter dual: corpuscular, representado por los cuantos de

energa, o fotones, y ondulatorio, originado en las oscilaciones del

campo electromagntico asociado a los fotones.


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Espectro electromagntico.- La regin correspondiente a la luzes una diminuta ventana en todo el espectro.

El infrarrojo se puede observar desde gran altura con globos osatlites, al igual que los rayos g, rayos X, y la radiacin

ultravioleta.


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PROPIEDADES Y CARACTERISTICAS DE LALUZ

Al incidir sobre los cuerpos cristalizados, la luz se manifiestacomo un movimiento ondulatorio.

Considerada como una porcin del espectro electromagntico laluz visible abarca una limitada banda de longitudes de onda(3,900-7700 A). 1A=10 cm=1/10 de milimicron.

La percepcin simultanea de todas las longitudes de onda

(3,900-7700A) produce la impresin de luz blanca.Cuanto ms estrecha es la gama de longitudes de onda queconstituyen la luz, tanto ms monocromtica, es decir tanto msdefinida en color, ser esta.


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Las ondas - Tipos de ondas

Has tirado alguna vez una piedra en un estanque?

Te habrs fijado en que se producen una serie deondas que se propagan concntricamente desde elpunto donde cae la piedra, alejndose de l.

La piedra ha producido una perturbacin en lasmolculas sobre las que ha cado hacindolasvibrar, transmitiendo stas, la vibracin a susmolculas vecinas y as sucesivamente.Si en el estanque hay algn objeto flotando,

observars que al ser alcanzado por las ondas no sedesplaza con ellas sino que se eleva y baja en lamisma posicin. Esto significa que no existetransporte de materia sino que lo que se transmitees la perturbacin producida por la piedra.


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Podemos, por tanto, decir que una onda es unavibracin que se propaga.

En ste caso la perturbacin es vertical y lapropagacin de la onda producida es horizontal, es

decir ambas son perpendiculares.Si la vibracin es perpendicular a la direccin depropagacin, tendremos una onda transversal

En otros casos, como en las ondas sonoras, lapropagacin de la onda se produce en la mismadireccin que la perturbacin. Decimos, entonces,que tenemos una onda longitudinal.


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Imgenes, en las que representamos laszonas de compresin y de dilatacin tpicas

de una onda sonora:


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Propiedades de las Ondas Las ondas tienen cuatro propiedades que las diferencian a

unas de otras:

Amplitud:Es la altura de la onda. Es la mxima distancia que

alcanza un punto al paso de las ondas respecto a suposicin de equilibrio.


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Frecuencia:

La frecuencia (f) es la medida del nmero de ondasque pasa por un punto en la unidad de tiempo.Se mide en hertzios (Hz) siendo un hertzioequivalente a una vibracin por segundo. Por ello,

tambin se utiliza el s-1 como unidad para medir lafrecuencia.Para conocer la frecuencia de una onda la dividimosen partes que van desde una "cresta" a la siguientede forma que el nmero de crestas que pasa por unpunto en cada segundo es la frecuencia.

F = 1 / T

T = periodo


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Longitud de onda:

La longitud de onda es la distancia entre dos crestas

consecutivas. Se mide en metros, aunque dada la granvariedad de longitudes de onda que existen suelen

usarse mltiplos como el kilmetro (para ondas largas

como las de radio y televisin) o submltiplos como el

nanmetro o el Angstrom (para ondas cortas como laradiacin visible o los rayos X).


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Velocidad:

Es la rapidez con que se propaga la onda. Secalcula utilizando la siguiente ecuacin:


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Las 2 ondas de la figura 1.2. tienen una diferencia defase de 90( /4). Esta diferencia de fase se obtiene

por comparacin entre los puntos A y A.

Figura 1.2. Dos ondas de igual amplitud ydesplazamiento paralelo, cuya diferencia de fase es

/4=90.


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Denominamos reflexin al cambio de direccin quesufren los rayos luminosos cuando encuentran unasuperficie pulimentada.

Cuando un haz de luz incide sobre la superficie deseparacin entre dos medios, parte de los rayos penetraen el segundo medio y parte es devuelta por reflexin. Laproporcin de la luz reflejada depende de latransparencia del medio y de otras condiciones.

Cuando la luz incide sobre un cuerpo, ste la devuelve almedio en mayor o menor proporcin segn sus propiascaractersticas. Este fenmeno se llama reflexin ygracias a l podemos ver las cosas.

Reflexin de la luz


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Leyes de reflexin El rayo incidente(A) y el rayo reflejado(C) se encuentran en

el mismo plano. La perpendicular (N) ala superficie reflectora en el punto de

incidencia se llama normal. El ngulo de incidencia (i) es el ngulo que forma el rayo

incidente (en verde) con la normal. El ngulo de reflexin (r) es el que forma el rayo reflejado (en

amarillo) con la normal.


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Refraccin e Indice de Refraccin

Cuando la luz pasa de un medio transparente aotro se produce un cambio en su direccin debidoa la distinta velocidad de propagacin que tiene laluz en los diferentes medios materiales. A este

fenmeno se le llama refraccin.

n = c

v n : ndice de refraccin

c : velocidad de la luz en el vacov : velocidad de la luz en el medio

material


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MEDIOS ISOTROPOS Y MEDIOSANISOTROPOS

Si los rayos de luz que se desplazan dentro de un cuerpolo hacen con la misma velocidad, independientementede direccin de vibracin, se dice que tal cuerpo es

istropo con relacin a la luz. Algunos ejemplos decuerpos istropos son el vaco, los materiales vtreos ylos cristales cbicos.

Por el contrario, en otros materiales los rayos de luz se

desplazan con velocidades muy diferentes para lasdiferentes direcciones de vibracin, de modo que dichosmateriales son anistropos con relacin a la luz; tal es elcaso de los minerales que no pertenecen sistemacbico.


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En el caso ms general, se considera que las oscilacionesarmnicas, transversales, que caracterizan la propagacindel flujo de energa luminosa tienen lugar en todas lasdirecciones alrededor de la direccin de propagacin,siendo requisito nico que las oscilaciones sean paralelasal frente de onda.(perpendiculares a la normal al frente de

onda, fig. 1.3 A-B ). Un flujo luminoso de talescaractersticas es denominado luz ordinaria(o luz nopolarizada).

Cuando, por el contrario, la vibracin se propaga slo a lo

largo de ciertas direcciones preferentes, el flujo luminosorecibe la denominacin de luz polarizada.

Se denominan POLARIZADORES a aquellos materiales(naturales o artificiales) que convierten la luz ordinaria onatural en luz polarizada plana.

POLARIZACION DE LA LUZ


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Fig. 1.3.Representacin grfica de la luz ordinaria (desdeO a P - P) y de la luz polarizada (P - P a N). A y B son

dos secciones perpendiculares a la normal al frente de ondadonde se observan los vectores correspondientes a algunosde las ondas del haz luminoso; en C y D, las vibracionesestn restringidas a un solo plano.

o


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INTERFERENCIA DE ONDASPOLARIZADAS EN UN MISMO PLANO

Si dos sistemas de ondas polarizadasen un plano comn viajan a lo largo del

mismo trayecto, no se comportan comovibraciones independientes sino que secombinan (interfieren) para producir unsistema de ondas resultantes cuya

forma depende de la longitud, amplitud,diferencia de fase de las ondascombinadas (Ver fig. 1.4).


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Fig.1.6. Interferencia de ondas, casogeneral.


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INTERFERENCIA DE ONDAS POLARIZADAS ENPLANOS PERPENDICULARES

Si dos ondas polarizadas lnealmente cuyos planos devibracin son mutuamente perpendiculares sedesplazan a lo largo del mismo trayecto, lainterferencia dar lugar a una onda cuyo tipo depolarizacin estar en relacin con la diferencia defase entre las ondas que interfieren.

La resultante puede ser lineal, elptica o circularmentepolarizada. Para este tipo de ondas, la resultante se

obtiene, tambin, mediante la suma vectorial encada uno de los puntos de la trayectoria, de lasvibraciones de las ondas que interfieren


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Polarizacion lineal de la onda resultante

Supongamos que se trata de dos ondas plano-polarizadas que vibran en planos mutuamenteperpendiculares.

Conforme se aprecia en la figura 1.5, para laobtencin de la resultante usamos los cirrculosO1 y O2 (cuyos radios representan amplitudes devibracin) para representar el movimientoangular de las partculas de referencia comohemos usado en la figura 1.1.


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Los nmeros existentes en la periferie de cada circulo sonlas diferentes posiciones de una partcula dada en sucesivosinstantes de tiempo para cada una de las ondas que

interfieren. Puede verse claramente que ambas no presentandiferencia de fase. Ro representa la posicin inicial de una partcula

correspondiente a la onda resultante. Las sucesivas

posiciones alcanzadas por las partculas R (R1, R2, .....) sonla resultantes de los movimientos que le imparten las dosondas que interfieren .

Luego de una vibracin completa(360) para cada una delas ondas componentes, la unin de las posicionesocupadas sucesivamente por la partcula R permite

obtener la trayectoria de la vibracin resultante; dichatrayectoria es una lnea recta dispuesta oblicuamente a lasdirecciones de las vibraciones componentes.


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Si ambas ondas son iguales en amplitud, la ondapolarizada resultante estar en un plano bisectriz al nguloformado por los planos de vibracin de las dos

componentes; en caso contrario, la resultante seencuentra ms cerca de la componente de mayor amplitud(ver fig. 1.5).

La resultante de 2 vibraciones polarizadas linealmente,perpendicularmente entre si, es igualmente una vibracin

polarizada linealmente siempre que la diferencia de fasesea 0, 180, o mltiplos de 180 (0, /2 , , ..........2n+1 /2 ).

Asimismo tambin la luz polarizada rectilnea(lineal) seproduce si las vibraciones de esos rayos no presentandiferencia de fase o la diferencia de fase es un nmeroentero de semilongitudes de onda.

Al microscopio, al girar el analizador, origina oscuridadtotal e iluminacin mxima.


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Fig. 1.5. Luz polarizada linealmente, resultante de lainterferencia de 2 vibraciones plano-polarizadas, X e Y,

perpendiculares entre si e iguales en fase.


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Polarizacion circular de la ondaresultante

Supongamos que interfieren dos ondas plano-polarizadas, perpendiculares entre si, de igualamplitud y con una diferencia de fase de 90 o unmltiplo impar de 90 (1/4 , ........ 2n+1 / 4 ). Talcomo se aprecia en la figura 1.6, la onda resultantees circularmente polarizada.

La luz Polarizada Circularmente (polarizacincircular) se produce si las amplitudes de esas

vibraciones son iguales y su diferencia de fase es /4, 3/4 , 5/4 .......etc.


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El vector vibratorio no se mantiene en unplano, ni vara de amplitud, sino que gira enun recorrido helicoidal como si fuera el radiode una rueda(radio del vector es constante)

que al mismo tiempo que gira, se traslada alo largo de su eje de rotacin que es el rayo. Al microscopio origina al girar el analizador,

iluminacin regular.


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Fig. 1.6. Luz circularmente polarizada, resultante de lainterferencia de 2 Vibraciones linealmente polarizadas, X eY, perpendiculares entre si . Diferencia de fase = +90.Polarizacin circular levogira.


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Polarizacion eliptica

La interferencia que produce dos ondas polarizadaslinealmente, perpendiculares entre si, y cuyadiferencia de fase es diferente de 90, 180, 270,360...........(0, 1/4 , 1/2 , 3/4 , 1 , .........n+1 / 4 ).

La obtencin de la onda resultante, se efecta por elmismo razonamiento que el seguido en los casosanteriores. Conforme se ve en la figura 1.7, la ondaresultante es elipticamente polarizada. El acimut deleje mayor (a) de la elipse es una funcin de las

amplitudes de las componentes y de su diferencia defase. En la fig. 1.7 la diferencia de fase ( x , y ) es - 45 y

la elipse es dextrogira. Si la diferencia de fase es= + 45,la elipse es levgira.


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La luz polarizada elpticamente (polarizacin elptica)se produce si la diferencia de fase de ambasvibraciones no es nmero entero de semilongitudes deonda.

Origina al girar el analizador, oscuridad incompleta eiluminacin variable.

La presencia de luz polarizada elptica, que se originaen los fenmenos de luz reflejada, determina que enNicoles cruzados, no se observe el cambio deoscuridad completa a iluminacin total.

La polarizacin elptica es similar a la circular, pero enella el vector se alarga y acorta al girar, como losradios de una elipse.

La luz con polarizacin elptica se comporta como si,en parte, fuera luz polarizada plana, sea luz formadapor una mezcla de rayos polarizados planamente yrayos no polarizados.


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Fig. 1.7 diferencia de fase = -45. Vibracin dextrgira. .Luz elpticamente polarizada, resultante de 2 ondas planopolarizadas, perpendiculares entre si que interfieren con unadiferencia de fase = - 45. Vibracin dextrgira.

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