Practicas

No. de práctica: 1 Nombre de la práctica: Revisión de video de óptica.

Objetivo de la práctica:

Esta práctica de laboratorio está dedicada a la discusión del video sobre óptica “The mechanical universe and beyond”, donde se dan los conocimientos esenciales acerca del desarrollo histórico de la naturaleza de la luz y se describen algunos fenómenos ópticos.

El video servirá como introducción al tema de óptica además puede ser útil para el proyecto que se está desarrollando por parte de los equipos de estudiantes, por la información histórica que ofrece.

Desarrollo:

Debe ver atentamente el video y tomar notas acerca de los aspectos más importantes que trata. Al final del video se realizará una discusión en todo el grupo, sobre el material tratado. Como base para esta discusión, se utilizará un listado de preguntas que serán respondidas durante la discusión y que se muestran en este material.

Preguntas a responder:

1.- ¿Cuáles teorías sobre la naturaleza de la luz se mencionan en el video?

GALILEO Y LA VELOCIDAD DE LA LUZ

Galileo Galilei (1564–1642), físico y astrónomo italiano, fue el primero en intentar medir la velocidad de la luz. Galileo ideó un método sencillo. Colocó dos personas en lugar despejado, separadas por una distancia de 1 Km por ejemplo.

Ambos han puesto sus relojes en hora y han convenido que uno de ellos encienda una luz exactamente a las doce de la noche. Si el segundo observador viera encenderse la luz a las 12 y 2 seg. por ejemplo la luz habría tardado 2 seg. en recorrer 1.000 m que los separa y su velocidad sería de 500 m/s.

Galileo realizó la experiencia, pero los relojes no indicaron ninguna diferencia. Galileo atribuyó el resultado negativo de su experiencia a la extraordinaria magnitud que debería tener, basta pensar que la luz recorre 1 Km en solo 0,000003 seg.

TEORIA CORPUSCULAR (NEWTON)

Supone que la luz está compuesta por una serie de corpúsculos o partículas emitidos por los manantiales luminosos, los cuales se propagan en línea recta y que pueden atravesar medios transparentes, y pueden ser reflejados por materias opacas. Esta teoría explica: La propagación rectilínea de la luz, la refracción y reflexión. Esta teoría no explica: Anillos de Newton (Este fenómeno lo explica la teoría ondulatoria) y tampoco explica los fenómenos de interferencia y difracción.

TEORIA ONDULATORIA (HUYGENS)

Esta teoría explica las leyes de la reflexión y la refracción, define la luz como un movimiento ondulatorio del mismo tipo que el sonido. Como las ondas se trasmiten en el vacío, supone que las ondas luminosas necesitan para propagarse un medio ideal, el ETER, presente tanto en el vacío como en los cuerpos materiales.

Esta teoría tiene una dificultad fundamental que es precisamente la hipótesis del éter. Tenemos que equiparar las vibraciones luminosas a las vibraciones elásticas transversales de los sólidos, y no transmitiendo por tanto vibraciones longitudinales. Existe, pues, una contradicción en la naturaleza del éter, ya que por un lado debe ser un sólido incompresible y por otro no debe oponer resistencia al movimiento de los cuerpos. (Las ondas transversales solo se propagan en medios sólidos)

Esta teoría no fue aceptada debido al gran prestigio de Newton. Tuvo que pasar más de un siglo para que se tomara nuevamente en consideración la "Teoría Ondulatoria". Los experimentos de Young (1801) sobre fenómenos de interferencias luminosas, y los de Fresnel sobre difracción fueron decisivos para que se tomaran en consideración los estudios de Huygens y para la explicación de la teoría ondulatoria.

Fue también Fresnel (1815) quien explicó el fenómeno de la polarización transformando el movimiento ondulatorio longitudinal, supuesto por Huygens, en transversal. Existe, sin embargo, una objeción a esta teoría, puesto que en el éter no se puede propagar la luz por medio de ondas transversales, ya que éstas solo se propagan en medios sólidos.

MICHAEL FARADAY

En 1845, Michael Faraday descubrió que el ángulo de polarización de la luz se podía modificar aplicándole un campo magnético (efecto Faraday), proponiendo dos años más tarde que la luz era una vibración electromagnética de alta frecuencia.

THOMAS YOUNG

Experimento de la doble rendija

Young es conocido por sus experiencias de interferencia y difracción de la luz demostrando la naturaleza ondulatoria de ésta. En 1801 hizo pasar un rayo de luz a través de dos rendijas paralelas sobre una pantalla generando un patrón de bandas claras y oscuras demostrando que la luz es una onda.

TEORIA ELECTROMAGNETICA (MAXWELL 1865)

Descubre que la perturbación del campo electromagnético puede propagarse en el espacio a una velocidad que coincide con la de la luz en el vacío, equiparando por tanto las ondas electromagnéticas con las ondas luminosas.

Veinte años después Hertz comprueba que las ondas hertzianas de origen electromagnético tienen las mismas propiedades que las ondas luminosas, estableciendo definitivamente la identidad de ambos fenómenos.

Ésta teoría no da explicación a:

• Fenómenos por absorción o emisión.

• Fenómenos fotoeléctricos.

• Emisión de luz por cuerpos incandescentes.

TEORIA DE MICHELSON Y MORLEY

Las experiencias de Michelson y Morley comienzan en 1931 cuando el primero inventa un interferómetro con una rama paralela a la dirección del movimiento de la Tierra y la otra perpendicular al mismo. El experimento consistía en dirigir un haz luminoso a un espejo semiplateado, M, inclinado 45º de forma que actuaba de desdoblador pues la mitad de la luz reflejaba hacia E2 y la otra mitad lo atravesaba hacia E1, moviéndose todo el sistema en sentido del movimiento de la Tierra a 30km/s (velocidad orbital de la Tierra). Después los haces chocaban en los espejos de los extremos de las ramas y volvían al centro, dirgiéndose ahora hacia el telescopio que recogía los haces de ambos espejos a la vez que se interferían mutuamente, tras atravesar los mismos espesores de aire y vidrio.

Debido a que el sistema se mueve con el movimiento de la Tierra E2 toma diferentes posiciones que hacen que el tiempo que tarda un haz en ir y volver (t2) sea diferente al tiempo que tarda el haz que va a E2.

t1=2l/c • 1/(1-(v2/c2)) y

t2=2l/c • 1/√(1-(v2/c2))

De esta forma, operando matemáticamente y teniendo en cuenta las siguiente aproximaciones, se demostró que la diferencia de tiempos era:

v/c≈10-4, (v2/c2)2≈10-16 y (v2/c2)3≈10-24, por lo tanto: t1-t2=Δt=l•v2/c3, donde l es la longitud inicial de cada uno de los espejos a M.

Según lo que se suponía, dicha diferencia de tiempos debería verse reflejada en la figura de interferencia vista en el telescopio. Pero no fue así. Michelson repitió el experimento con Morley en 1887 y los resultados fueron los mismos, aún cambiando los ejes para que los espejos jugaran el otro papel o bien adoptando más medidas para aislar el sistema de fuerzas externas.

Los resultados fueron negativos de nuevo, o bien positivos para el posterior descubrimiento. Se barajaron muchas hipótesis posteriores que fueron descartadas para corroborar finalmente que las leyes del electromagnetismo estaban correctas y que la velocidad de la luz es la misma en todos los sistemas inerciales, independientemente de la velocidad de la fuente y del observador (299.792,458 km/seg). Posteriormente Einstein partiría de aquí para sus estudios relativistas.

2.- ¿Qué aportes realizó Galileo a la óptica?

• Occhiolino o microscopio compuesto de una lente convexa y una cóncava.

• El telescopio reflectante.

3.- ¿Qué es la reflexión de la luz?

Cuando la luz incide sobre un cuerpo, éste la devuelve al medio en mayor o menor proporción según sus propias características. Este fenómeno se llama reflexión.

La reflexión de la luz se representa por medio de dos rayos: el que llega a una superficie, rayo incidente, y el que sale "rebotado" después de reflejarse, rayo reflejado.

Si se traza una recta perpendicular a la superficie (que se denomina normal), el rayo incidente forma un ángulo con dicha recta, que se llama ángulo de incidencia.

4.- ¿Qué ley cumple éste fenómeno?

Principio de Huygens-Fresnal.

Y la reflexión tiene sus propias leyes también:

Leyes de la reflexión

1.a ley: el rayo incidente, el reflejado y la normal están en el mismo plano.

2.a ley: el ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión son iguales.

5.- ¿Qué es la refracción de la luz?

La refracción de la luz es el cambio de dirección que experimentan los rayos luminosos al pasar de un medio a otro en el que se propagan con distinta velocidad. Por ejemplo, al pasar del aire al agua, la luz se desvía, es decir, se refracta.

Las leyes fundamentales de la refracción son:

• El rayo refractado, el incidente y la normal se encuentran en un mismo plano.

• El rayo refractado se acerca a la normal cuando pasa de un medio en el que se propaga a mayor velocidad a otro en el que se propaga a menor velocidad. Por el contrario, se aleja de la normal al pasar a un medio en el

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