Luz

Física. Fenómeno luminoso. Velocidad. Teorías Newton, Maxwell, Planck, Roemer, Foucault. Propagación. Refracción

  • Enviado por: Lupita
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INSTITUTO EDUCATIVO LOS PINOS

FISICA

TRABAJO Nº 1

TEMA: LA NATURALEZA DE LA LUZ

PROFESOR: FELIX IBAÑEZ

ALUMNA: LOURDES A. MORALES V.

CURSO: 1ro de Secundaria Verde

FECHA DE ENTREGA: 18/ IX / 2000

LA PAZ - BOLIVIA

LA NATURALEZA DE LA LUZ

"La luz vibra y se propaga en ondas no siendo una materia sólida como el aire para el sonido o el agua agitada de las olas. La onda referida es una danza periódica de campos eléctricos y magnéticos en cada punto del espacio, se encuentre éste ocupado o vacío. Se trata de campos desprendidos de la carga oscilante que los originó y se mueven en el espacio como si fueran un rayo de luz. Su origen pudo ser el oscilar de electrones en el interior de una antena transmisora de radio, o quizás el producto de la aniquilación de un electrón con su respectiva antipartícula o la emisión de un átomo fluorescente. Cualquiera sea la causa, el fenómeno adquiere vida propia e independencia y se propaga por el espacio. Nos dimos cuenta de él, de su existencia, a través de una solución matemática, llamada onda electromagnética"

¿Qué es la luz?.

Los griegos creían que la luz salía de los objetos, y era como un "espectro" de ellos, muy suave, que al llegar a los ojos le permitía verlo.

Así los griegos y los egipcios buscaron la solución de estos problemas sin encontrar buenas respuestas. Mas tarde en Europa del Siglo XV al XVII, con los avances de la ciencia y la técnica, surgieron muchos matemáticos y filósofos que hicieron importantes trabajos sobre la luz y los fenómenos luminosos.

Es Newton el que formula la primera hipótesis seria sobre la naturaleza de la luz.

TEORIA DE NEWTON.

Se la conoce como teoría corpuscular o de la emisión. Según Newton, las fuentes luminosas emiten corpúsculos muy livianos que se desplazan a gran velocidad y en línea recta. Podemos decir que ya la idea de que esta teoría además de decir la propagación de la luz por medio de corpúsculos, también da el principio de que los rayos se desplazan en forma rectilínea.

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

Newton dijo 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 es la incidencia los corpúsculos en forma oblicua en una superficie espejada, de manera que cuando llega a ella varía de dirección pero siempre en el mismo medio.

La igualdad del ángulo de incidencia con el de reflexión es porque tanto antes como después de la reflexión los corpúsculos conservan la misma velocidad (debido a que permanecen 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.

Según lo dicho 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, lo obligó a abandonar su teoría corpuscular.

TEORIA DE HUYGENS.

Allá por 1690, cuando todavía se admitía la teoría corpuscular de la propagación de la luz, un físico, matemático y astrónomo holandés llamado Christian Huygens expuso su teoría sobre este fenómeno.

Huygens emitió la hipótesis de que la luz era un fenómeno ondulatorio, de naturaleza casi igual a la del sonido.

Según esta teoría, la velocidad de la luz disminuye al penetrar en el agua, que es lo contrario de lo que se deduce de la teoría corpuscular.

La única diferencia entre la luz y las ondas sonoras es que el sonido no se propaga en el vacío mientras que la luz sí.

Para explicar esta trayectoria de la luz en el vacío, Huygens completó su teoría agregando que el rayo luminoso se propagaría entonces por la vibración de cada uno de los puntos que son alcanzados por la luz, aún aquellos del "éter cósmico" que se encuentra en el vacío.

Principio de Huygens: "Cada punto alcanzado por la onda luminosa actúa como centro emisor de ondas secundarias. Y la onda principal es la envolvente de todas esas ondas secundarias."

LOS TRABAJOS DE MAXWELL.

Este físico escocés, dedicado al estudio del electromagnetismo, demostró que un circuito eléctrico oscilante radiaba ondas electromagnéticas. Resultó ser que estas ondas eran prácticamente iguales en velocidad a las de luz.

Ante esta comprobación Maxwell expresó su idea de que la luz podría ser de naturaleza

electromagnética.

TEORIA CUANTICA DE PLANCK.

Max Planck estudia la energía radiante y llegó a comprobar que las variaciones de temperatura se hacen por "saltos", como por granitos de energía, a los que llamó "cuantos".

En 1905 Einstein llegó a comprobar que la energía de un haz luminoso está distribuida en una onda electromagnética y avanza en "paquetes" de electrones que llamó "fotones".

Si en este momento nos volviésemos a preguntar que es la luz diríamos ahora que es una energía radiante contenida en infinitos "paquetes" de electrones llamados fotones que irradian la luz y, con un resto de energía se desplazan por el espacio.

El punto de vista actual, es aceptar el hecho que la luz parece tener una doble naturaleza. Los fenómenos de propagación de la luz encuentran mejor explicación dentro de la teoría ondulatoria, mientras que la acción mutua entre la luz y la materia, en los procesos de absorción y de emisión, se explican mejor con la teoría corpuscular.

LA VELOCIDAD DE LA LUZ.

Los antiguos creían que la luz se propagaba instantáneamente.

Esto desde luego que no es así. La luz tiene una determinada velocidad de propagación.

Descartes fue uno de los que afirmaron tal creencia, también Galileo trató de medir su velocidad sin conseguirlo.

METODO DE ROEMER.

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

El estaba 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. Iba a observar uno, y sorprendido 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 seg. en desaparecer.

Roemer 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:

Vel. Luz = Diam. Órbita terrestre 299.000.000 Km. / Atraso observado 996 seg. = 300.200

Km./seg.

Mas tarde se llegó a la conclusión que el atraso era de 1.002 seg. , lo cual da por resultado que la velocidad de la luz sería de 298.300 Km./seg.

METODO DE FIZEAU.

En 1849, el físico francés Fizeau, 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 Fizeau de base para calcular la velocidad de la luz.

Luego de varios experimentos el resultado obtenido fue el de:

V = 313.274 Km./seg.

METODO DE FOUCAULT.

León Foucault y casi al mismo tiempo que Fizeau, hallaron en 1850 un método que permite medir la velocidad de la luz en espacios pequeños.

La idea es la de enviar un haz de luz sobre un espejo giratorio haciéndolo atravesar a una lámina de vidrio semitransparente y semirreflectora, un espejo fijo devuelve el rayo y atraviesa luego lámina observándose la mancha luminosa en una pantalla.

Con este método se obtuvo que:

V = 295.680 Km./seg.

Luego Foucault junto a concibió la idea de calcular la velocidad de la luz en otro medio que no sea el aire.

Midieron la velocidad de la luz en el agua y obtuvieron un resultado experimental que decidió la controversia a favor de la teoría ondulatoria.

En general todas las mediciones de que se tiene conocimiento obtuvieron resultados entre 298.000 Km./seg. y 313.300 Km./seg. Pero se toma como velocidad de la luz la de 300.000 Km./seg. por ser un término medio entre los valores obtenidos y por ser una cifra exacta que facilita los cálculos.

«Una casa o un árbol proyectando sombra en un día soleado, un espejo o la superficie de un estanque devolviendo nuestra propia Imagen, la apariencia quebrada de una varilla parcialmente sumergida en el agua, la ilusión de presencia de agua sobre el asfalto recalentado, el arco iris cruzando el cielo después de una tormenta, son parte de las incontables experiencias visuales que responden a tres simples leyes empíricas»

(B. Rossi).

El estudio de la luz, es un ejemplo de ciencia milenaria. Ya Arquímedes en el siglo III antes de Cristo era capaz de utilizar con fines bélicos los conocimientos que en ese tiempo se disponían de la marcha de los rayos luminosos por espejos y lentes. Sin saber mucho de su naturaleza, los antiguos aprendieron, primero, a observar la luz para conocer su comportamiento y, luego, a usarla con muchas intenciones. Es a partir del siglo XVII con el surgimiento de la ciencia moderna, cuando el problema de la naturaleza de la luz cobra una importancia singular como objeto del conocimiento científico.

Sin embargo se dejará con cierto respeto, la sabia indicación de la evolución histórica del estudio de la luz, y priorizará la óptica geométrica: el estudio del comportamiento de haces y rayos luminosos ante espejos o a su paso por medios transparentes como láminas, prismas o lentes. El problema de lo que es la luz o las descripciones de su naturaleza mediante modelos científicos, se planteará en la última parte.

LA PROPAGACIÓN DE LA LUZ

La luz emitida por las fuentes luminosas es capaz de viajar a través de materia o en ausencia de ella, aunque no todos los medios permiten que la luz se propague a su través.

Desde este punto de vista, las diferentes sustancias materiales se pueden clasificar en opacas, transparentes y traslúcidas. Aunque la luz no puede pasar por las opacas, atraviesa las otras. Las sustancias transparentes tienen, además, la propiedad de que la luz sigue en su interior solo en una dirección. Como en el agua, el vidrio o el aire. Pero en las traslúcidas la luz se dispersa, y por ello no se pueden ver las imágenes con nitidez. El papel vegetal o el cristal esmerilado son algunos ejemplos de objetos traslúcidos.

En un medio que además de ser transparente sea homogéneo, es decir, que mantenga

propiedades idénticas en cualquier punto del mismo, la luz se propaga en línea recta. Esta

característica, conocida desde la antigüedad, constituye una ley fundamental de la óptica

geométrica. Dado que la luz se propaga en línea recta, para estudiar los fenómenos ópticos de forma sencilla, se acude a algunas simplificaciones útiles. Así, las fuentes luminosas se

consideran puntuales, esto es, como si estuvieran concentradas en un punto, del cual emergen rayos de luz o líneas rectas que representan las direcciones de propagación. Un conjunto de rayos que parten de una misma fuente se denomina haz. Cuando la fuente se encuentra muy alejada del punto de observación, a efectos prácticos, los haces se consideran formados por rayos paralelos. Si por el contrario la fuente está próxima la forma del haz es cónica.

VELOCIDAD E ÍNDICE DE REFRACCIÓN

La velocidad con que la luz se propaga a través de un medio homogéneo y transparente es una constante característica de dicho medio, y por tanto, cambia de un medio a otro. En la

antigüedad se pensaba que su valor era infinito, lo que explicaba su propagación instantánea.

Debido a su enorme magnitud la medida de la velocidad de la luz c ha requerido la invención de procedimientos ingeniosos que superarán el inconveniente que suponen las cortas distancias terrestres en relación con tan extraordinaria rapidez. Métodos astronómicos y métodos terrestres han ido dando resultados cada vez más próximos. En la actualidad se acepta para la velocidad de la luz en el vacío el valor c = 300 000 km./s. En cualquier medio material transparente la luz se propaga con una velocidad que es siempre inferior a c. Así, por ejemplo, en el agua lo hace a 225 000 km./s y en el vidrio a 195 000 km./s.

La reflexión de la luz

Como en la reflexión de las ondas sonoras, la reflexión luminosa es un fenómeno en el cual la luz al incidir sobre la superficie de los cuerpos cambia de dirección, invirtiéndose el sentido de su propagación. En cierto modo se podría comparar con el rebote de una bola de billar cuando se lanza a una de las bandas de la mesa.

La visión de los objetos es gracias a la reflexión. Un objeto cualquiera, menos los que tienen luz propia, será invisible mientras no se lo ilumine. Los rayos luminosos que provienen de la fuente se reflejan en el objeto y revelan a la persona los detalles de forma y tamaño.

Con las características de la superficie reflectora, la reflexión luminosa puede ser regular o difusa. La regular es cuando el lugar de reflexión es liso. Un espejo o una lámina metálica pulimentada reflejan bien un haz de rayos conservando su forma. La difusa es en los cuerpos mas o menos rugosos. En ellas un haz paralelo, al reflejarse, se dispersa orientándose los rayos en direcciones diferentes. Ésta es la razón por la que un espejo es capaz de reflejar la imagen de otro objeto en tanto que una piedra sólo refleja su propia imagen.

La refracción de la luz

Es refracción luminosa el cambio que tiene la dirección de propagación de la luz cuando atraviesa oblicuamente la superficie de separación de dos medios transparentes de distinta naturaleza. Las lentes, las máquinas fotográficas, el ojo humano y, en general, la mayor parte de los instrumentos ópticos basan su funcionamiento en este fenómeno óptico.

La refracción va normalmente acompañada de una reflexión bastante débil dada en la superficie que limita los dos medios transparentes. El haz, llegando a esa superficie límite, en parte se refleja y en parte se refracta, lo que implica que los haces reflejados y refractados tendrán menos intensidad luminosa que el rayo incidente. El reparto de intensidad producida depende de las características de los medios en contacto y del ángulo de incidencia respecto de la superficie límite. A pesar de esto, es posible fijar la atención solamente en la refracción para analizar sus características.

OBJETOS E IMÁGENES

En ocasiones los rayos de luz que, procedentes de un objeto, alcanzan el ojo humano y forman una Imagen en él, han sufrido transformaciones intermedias debidas a fenómenos ópticos tales como la reflexión o la refracción. Todos los aparatos ópticos, desde el más sencillo espejo plano al más complicado telescopio, proporcionan imágenes más o menos modificadas de los objetos.

La determinación de las relaciones que existen entre un objeto y su imagen correspondiente, obtenida por cualquiera de estos elementos o sistemas ópticos, es uno de los propósitos de la óptica geométrica. Su análisis riguroso se efectúa, en forma matemática, manejando convenientemente el carácter rectilíneo de la propagación luminosa junto con las leyes de la reflexión y de la refracción. Pero también es posible efectuar un estudio gráfico de carácter práctico utilizando diagramas de rayos, los cuales representan la marcha de los rayos luminosos a través del espacio que separa el objeto de la Imagen.

EL «EXPERIMENTUM CRUCIS» DE NEWTON

Newton sabía ya que la luz blanca era compuesta, pero quería demostrar de una indiscutiblemente que los colores que salían del prisma no eran modificaciones de la luz blanca, como decían otros científicos. Para lograrlo ideó un «experimentum crucis» o experimento crucial que consistía en poner a cada color obtenido por el primer prisma, a un segundo prisma, y comprobar primero que no podía descomponerse más y segundo su diferente comportamiento al grado de desviación dada por efecto del prisma. Newton resume sus resultados así: «En primer lugar descubrí que los rayos que son más refractados que otros de la misma incidencia exhiben colores púrpuras y violetas, mientras que aquellos que exhiben el rojo son menos retractados, y los azules, verdes y amarillos poseen refracciones intermedias... En segundo y a la inversa, descubrí que rayos de igual incidencia son gradualmente más y más refractados según su disposición a exhibir colores en este orden: rojo, amarillo, verde, azul y violeta con todos sus colores intermedios».

EL EXPERIMENTO DE YOUNG

En su trabajo «Esbozos de experimentos e investigaciones respecto al fondo y a la luz», Thomas Young describe su propio experimento de interferencias luminosas, conocido también como de las dos rendijas. Al igual que Newton, Young usó la luz solar iluminando de forma controlada un cuarto oscuro.

Puso en su interior dos pantallas. Con la primera cubrió la ventana e hizo en ella dos orificios por los cuales pasaba la luz. Sobre la segunda recogía la luz proyectada. Cambiando el tamaño de los orificios observó que si éstos eran grandes se hacían dos manchas luminosas y separadas en la segunda pantalla. Pero si los orificios eran suficientemente pequeños, las dos manchas de luz se extendían y sus mitades próximas se superponían una sobre la otra dando lugar a una serie de bandas brillantes separadas por otras oscuras.

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