F IS I C A

1. FISICA La Luz ens(LaHaya,1629-id.,1695)Matemàtico,astrónomo acentistaConstantinHuygens,estudióenlaUniversidad ChristiaanHuyg Hijodelpoetaren ColegiodeBreda. yfIsicoholandés. deLeidenyenel TrabajóconLeeuwenhoekenlosdiseñosdelosprimerosmicroscopiosyrealizóalgunasde lasprimerasobservacionesdelascélulasreproductorashumanasypropugnólaprimera tesissobreelgermencomocausadelasenfermedades,doscientosañosantesdequeello sehicierapopular.Huygenslogróexito,dondeGalileohabIafracasado,laconstruccióndel relojdepéndulo,dotando asIalacienciadeunverdaderocronómetro.Desdeesemomento quedanencompletaobsolescenciaydesusolasclepsidrasyrelojesdearenadeherencia babilónicaquenohabIansidoposibleremplazarporinstrumentoalgunoantesdelaciertodel grangenioholandés. SueducaciónmatemàticaestuvoinfluidaporDescartesquevisitabaocasionalmentealos HuygensysepreocupabaporelprogresomatemàticodeljovenChristiaan.Esteadquirió unaprontareputaciónencIrculoseuropeosporsuspublicacionesdematemàticasyporsus observacionesastronómicas,quepudorealizargraciasalosadelantosqueintrodujoenla construccióndetelescopios.Destacan,sobretodo,eldescubrimientodelmayorsatélitede Saturno,Titàn(1650),ylacorrectadescripcióndelosanillosdeSaturno,quellevóacabo en1659. MàstardesetrasladóaParIs,dondepermaneciódesde1666a1681,fechadesuregresoa LaHaya.En1666fuemiembrofundadordelaAcademiaFrancesadeCiencias. ContemporàneodeIsaacNewton,suactitudmecanicistaleimpidióaceptarlaideade fuerzasqueactüanadistancia. ElmayorlogrodeHuygensfueeldesarrollodelateorIa ondulatoriadelaluz,descrita ampliamenteenelTraitédelalumière(1690),yquepermitIaexplicarlosfenómenosdela reflexiónyrefraccióndelaluzmejorquelateorIacorpusculardeNewton.Lapropuestade Huygenscayóenelolvido,aplastadaporlaimagenyprestigiodeNewton.

2. Laópticaestudialanaturalezadelaluz,susfuentesdeproducción,supropagaciónylosLaópticaestudialanaturalezadelaluz,susfuentesdeproducción,supropagaciónylos fenómenosqueexperimentayproduce. Naturalezadela luz TeorIa corpuscular:fueenunciadaporSirIsaacNewton(aproximadamenteen1666), quienformulaquelaluzestabaformadaporpequeñoscorpüsculos(partIculas)emitidospor loscuerposluminososquepodIanpenetrarlassustanciastransparentes(fenómenosde refracción:obedecIalasleyesdelamecànica)yreflejarseenlassuperficies deloscuerpos opacos(fenómenosdereflexión).SeutilizóparaexplicarlapropagaciónrectilIneadelaluz. TeorIa ondulatoria:iniciadapor ChristianHuygens,quienasumIa quela luz estaba formadaporondassemejantesalasdelsonido(ondaslongitudinales), explicandoenese entonces(1668aproximadamentepublicó suteorIa).Losfenómenosdereflexión,refracción ydoblerefracciónrecientementedescubierto,entrandoenfrancacontradicciónconNewton. ThomasYoungyAugustinFresnel,enuncianunanueva teorIaondulatoria,lacualenunciaba quelaluzestabaformadaporondassemejantesalasqueseformanenunacuerdaen vibración(ondastransversales)yqueeranemitidasporlos àtomosexcitadosdeloscuerpos luminosos,explicàndoseeneseentonces(1860)losfenómenosdeinterferencia,difraccióny polarización. ell,sostiene(1873)quelaluzestàconstituidaporonda magnéticaprovocadaporalteraciones delcampoeléctric cuerposluminosos. 1887) experimentalmente, utilizando un circuito el JamesCleroMaxw naturalezaelectro losàtomosdelos Heinrich Hertz ( determinóquelas stransversalesde oymagnéticode éctrico oscilante, ondaselectromagnéticastienenuncomportamientosemejantealas ondasdeluz,demostrandoademàsquetenIanigualvelocidaddepropagaciónenelvacIo conlocualconcluyóquelasondaselectromagnéticasylasdelaluztenIanigualnaturaleza. TeorIa delosCuanta:fuepropuestaporMaxPlanck(1900),antelaimposibilidadde explicar un nuevo fenómeno luminoso (fotoelectricidad o efecto fotoeléctrico), teorIaconfirmadayampliadaporAlbertEinstein(1905).EstateorIa consideraquelaenergIa transportadapor una onda transversal electromagnéticano està distribuidaen forma continua,sinoqueenpaquetesocorpüsculosenergéticos,llamadosfotones. Conclusión La luz presenta naturaleza dual: Cuando se propaga (fenómeno de propagación) se comportacomounaondatransversalelectromagnética;perocuandointeraccionaconla materia(procesosdeabsorciónyemisiónmutua,entrelaluzylamateria)presentacaràcter corpuscular(corpüsculosenergéticos). 2

3. Fenómenos delaluz Reflexióndelaluz LaluzviajaenlInea rectayaunavelocidadde300.000km/senelvacIo,laquese considera lavelocidad màximaenelUniversoconocido.Cuando unrayoluminosollegaala superficiedeunmediodedistintadensidad,puedesertransmitidoatravésdeéloreflejado (oambascosas). Existendostiposdereflexión:especularydifusaloquedependedequetanlisaysuave eslasuperficiedondeincidenlosrayosluminosos.Sólolareflexiónespecularescapazde producirimàgenes,lascualesseformandondeseinterceptanlosrayosreflejados,parael casodelasimàgenesrealesyensusprolongacionesenelcasodelasvirtuales. HayleyesfIsicas quedescribenelfenómenodereflexióndelaluz.Unaleydicequeel àngulodeincidenciadecadarayoluminoso esigualalàngulodereflexión(verfigura1), respecto delarectanormal(N).Laotraleyestablece quetantoelrayoincidente,comoel rayoreflejadoylanormalestànenunmismoplano. Reflexiónespecular:Cuandolaluzllegaenformaderayosparalelosincidiendosobreuna superficieplanaymuylisa,losrayosreflejadossontambiénparalelos(verfigura2). :Si lasuperficieesrugosa,losrayosreflejadossa elanormalendiferentespuntospuedeserdistinta,p erfigura3). Reflexióndifusa direcciones,porqu reflexióndifusa(v lenentodaslas roduciéndoseuna rayo incidente rayo reflejado a1 a2 Reflexiónespecular Reflexióndifusa Segünlaleydelareflexión se cumplequea1= a2 fig.1 fig.2 fig.3 ElprincipiodeFermaty la ley dereflexión ElprincipiodeFermatesotra maneradeexpresarlaley dereflexión.Esteprincipiodiceque unrayodeluzalviajardeunpuntoaotro,siempreloharàporelcaminoqueletome menostiempo. 3

4. Refraccióndelaluz Sehaestablecidoquelavelocidaddepropagacióndelaluzdependedelanaturalezadel medioenquesepropaga. Igualmentesehacomprobadoquesiunrayoluminoso pasadeunmedioaotro,incidiendo oblicuamentesobrelasuperficiedeseparacióndeambosmedios,experimentauncambiode dirección en su desplazamiento.Si la incidencia es normal (perpendicular),sólo hay variacióndevelocidad. Lacausadeestoscambiosdevelocidadydirección,odevelocidadsolamente,enel desplazamientodelaluz,seatribuyeaciertapropiedadquecaracterizaalosmedios transparentesyquesedenominarefringenciaopoderrefringente. ElIndicederefracciónabsolutodeunmediodaunamedidacuantitativadesurefringencia, demodoque,comparandodosmedios,tendràmayorpoderrefringenteaquelquetengaun mayorIndicederefracción. El fenómenodebidoalarefringenciasedenominarefracción,porlocualsetieneque: “Unhazluminosoexperimentarefracciónsicambiasuvelocidadosuvelocidadyla direccióndepropagaciónsimultáneamentealpasardeunmedioaotrodedistinto Indice derefracciónabsolutoorefringencia” epuedenestablecerselasdosleyessiguientesquerigen te,lanormalyelrayorefractadoestànenunmismopla “larazónentrelossenosdelosàngulosdeincidencia Experimentalment esteproceso: • El rayoinciden • LeydeSnell: • constanteparaunmismopardemedios” no. yderefracciónes senO n i = 2=cte senO n R 1 Porotraparte: n v 2=1 nv 12 siendov1 yv2 lasvelocidadesdelaluzenlosmedios respectivamente. deIndice derefracciónn1 yn2, Nota:lavelocidaddelaluzenunmedio(deIndicederefracciónabsoluton)estàdadapor v=cdondec=3x108m/s(velocidaddelaluzenelvacIo) n 4

5. DelaleydeSnellpuedendeducirse,ademàs,lassiguientesconclusionesdeimportancia:DelaleydeSnellpuedendeducirse,ademàs,lassiguientesconclusionesdeimportancia: • Siunrayoluminoso,pasaoblicuamentedeunmediodemenorIndice derefracción • absolutoaotrodemayorIndice derefracciónabsoluto,serefractaacercàndoseala normal. • SiunrayoluminosopasaoblicuamentedeunmediodemayorIndice derefracción absolutoaotr normal. alejàndosedela odemenorIndice derefracciónabsoluto,serefracta AngulolImite Comosedijoanteriormente,siunrayoluminosopasaoblicuamentedeunmediodemayor Indice derefracciónabsolutoaotrodemenorIndice derefracciónabsoluto,serefracta alejàndosedelanormal. Deestemodoamedidaqueelàngulodeincidenciasevahaciendomàsgrande,elàngulode refracciónpuedellegaracrecertantoqueelrayorefractadoemerjaporlasuperficiede separaciónconunvalorde900. Porlotanto,àngulolImiteeselàngulodeincidenciaparaelcual elànguloderefracciónvale 900. SielsegundomedioeselaireoelvacIo,elàngulolImiteescaracterIsticodelasustanciay sellamaángulolImitedelasustancia. Silaluzincide enlasuperficiedeseparacióndedosmediosdesdeelmediodemayorIndice derefracciónconunàngulomayorqueelàngulolimite,elfenómenoquesepresentase conoceconelnombredereflexióninternatotal. 5

6. Refracciónen laatmósferaterrestre. Deespecial importancia,comoejemploderefracción,eslamarchadelaluzprovenientede los astrosatravésdelas numerosascapasdeaire,dedensidadescrecientesydeIndicesde refraccióntambiéncrecientes,queconstituyenlaatmósferaterrestreyqueaquelladebe atravesar. Unrayodeluzquepenetreenlaatmósferaoblicuamente, experimentasucesivas refracciones alatravesarcadaunadeestascapasdedistintoIndicederefracciónabsoluto, acercàndosealanormal. Sol Sol Horizontegeométrico Sol Tierra atmósfera: el solseveapesar deestaralgo masbajoqueelhorizonte Refracción enla geométrico fig.4 Unobservadorveràelastroenladireccióndelültimorayorefractadoyesporestoqueel astropareceencontrarseaunaalturamayorsobreelhorizontequelaquetienerealmente. Debidoaesto,porejemplo,lasestrellasnosevenensusposicionesverdaderas, amenos quesehallenenelcenit,osea,verticalmentesobreelobservador.Elmismofenómeno explicatambiénelhechodequesepueda vereldisco solar olalunaaüncuandoelastro se encuentreunpocomàsabajodelhorizontegeométrico. Unfenómenoterrestre,producidoporlarefracciónenlaatmósferaylareflexióntotal,esel espejismo,elcuales frecuenteenlosdesiertosycaminos,endIasdeintensocalor.El calentamientodelas capasdeaireencontactoconlatierratrae consigounadisminuciónde ladensidadeIndicederefraccióndeestascapas,demodoquelas màsbajasresultanahora menosdensasyposeenunmenorIndice derefracciónabsolutoquelassuperiores.Esto explicalascapasdeaguaqueseaprecianaladistanciaenuncamino,durantelosdIas calurososperoenrealidadloquesevenoessinounapartedel cieloazulreflejado. 6

7. Dispersión Lamayorpartedeloshacesluminososestànformadospormezclasderayos.FIsicamente cadarayocorrespondeaunalongituddeondadistinta.Estoimplicaquecuandounhaz luminosoatraviesadeunmedioaotro,notodoslosrayosserànrefractadosconelmismo àngulo.Mientrasquelavelocidad,enelvacIo, eslamismaparatodaslaslongitudesde onda,noocurrelomismocuandoseestàenunmediomaterial; cadarayotieneuna velocidad distinta.LoanteriorsedebeaqueelmediomateriallepresentaunmayorIndice derefracciónalosrayosconmenorlongituddeondayviceversa. Podemosdecir,entonces,quelavelocidaddelrayodependeràdesulongitud.Sediràque unmedioproducedispersióncuandopresentaestapropiedad. Unejemplodeestosepuedeobservarenelprisma(fig. 5). Sisehaceincidirunrayodeluz blancaseobtendrànunaseriedecoloresenlaotracara.Alconjuntodecoloresquese obtiene,usualmente,sedaelnombredeespectro. fig.5 ElColory lalongituddeonda Elfenómenodeladispersiónplanteadeinmediatolapreguntaaquéeselcolor?Adhiriendo almodeloondulatoriounointerpretacadacolorcomounaondacon“longituddeonda“ caracterIstica.Lalongituddeondaylavelocidaddelaluzenelmedioestànrelacionados mediante: .=v donde.: longituddeonda,v:velocidadyf:frecuencia. f Lasiguientetablanospresentalaslongitudesdeondaparadistintoscolores.Paraobtenerel valor delafrecuenciabastareemplazarenlaecuaciónanteriorelvalor delavelocidaddela luzenelvacIo. 7

8. ElColory elIndice deRefracción Delodiscutidoanteriormentesepuedenobtenerlassiguientesconclusiones: El vidrio,sidescomponelaluzencolores,esunmediodispersivo. MidiendolosàngulosdecadacoloryaplicandolaleydeSnellesposiblecalcularelincidederefraccióndelmedio,conello,lavelocidaddelaluzenelmedio. Enotraspalabras,lasustanciadequeestahechoelprismatieneunIndicederefracción distintoparacadacoloryporsupuesto, unadesviación(ànguloderefracción) distintapara cadacolor.Elcolormenosdesviado eselrojoyelmàsdesviado elvioleta.Enesemismo ordendecrecenlaslongitudesdeondademodoqueamayorlongituddeondacorresponde menordesviación(amayorlongitud deonda,unamismasustanciaofrecemenorIndicede refracción). Nota:Decimosqueunobjetotieneuncolorcuando, conpreferencia,reflejaotransmitelas radiacionescorrespondientesatalcolor.Porejemplo,uncuerpoesrojocuandoabsorbeen casisutotalidad,todaslasradiacionesmenoslasrojas,lascualesrefleja. Elcolordeloscuerposnoesuna naturalezadelaluzquereciben. propiedad intrInseca de ellos, sino quevaligadoala omagnético ctroelectromagnéticoalconjuntodeondaselectromagné tadolaslongitudesdeondaenrelaciónaltamañodec namedida,ysehaindicadoelnombrequetienecada Espectroelectr Sedenominaespe 6se hanrepresen familiares, enalgu supuesto,esluz. ticas.Enlafigura osasquenosson radiaciónque,por fig.6 8

9. EJEMPLOS 1. Cuandounaondaelectromagnética pasadeunmedioaotrodisminuyesulongitudde ondaenundécimo,entonceselperiododelaonda A) B) C) D) E) nocambia. disminuyeenundécimo. aumentaenundécimo. disminuyeendosdécimos. aumentaendosdécimos. 2. Enlafigura7serepresentaunaondaquepasadeunmedioaotro.Conbaseenla figuraescorrectodecirquelosfenómenosqueseobservanson A) B) C) D) E) dispersiónyreflexión. difracciónyreflexión. difracciónyrefracción. reflexión dispersió a a yrefracción. nyrefracción. fig .7 3. Un rayodeluzviajapor elvacIo yluegoatraviesatreszonascuyosIndices de refracciónsonn1,n2yn3.Sin1>n2>n3,entoncesrespectoalarapidezdelaluzse afirmaque vacIo n1 1 n2 2 n3 3 fig.8 A) B) C) D) E) eslamismaentodaspartes. delastreszonasdondeviajamàsràpidoesenlazona1. enelvacIo esmenorquelarapidezencualquieradelastreszonas. esmayorenelvacIoperoenlastreszonaseslamisma. delastreszonasdondeviajamàsràpidoesenlazona3. 9

10. PROBLEMASDESELECCIÔNMULTIPLE 1. aCuàldelassiguientesondascorrespondea laquetienemenorlongituddeonda? A) B) C) D) E) Ondascorrespondientesalazul. Ondasinfrarrojas. OndasderayosX. Luzultravioleta. Ondascorrespondientesalamarillo. 2. Al realizarlassiguientesafirmaciones: I) II)III) LaluzviajaenlInea recta. Laluzesunaondatridimensional. Laluzesunaondaelectromagnética. Es(son)verdadera(s) . A) B) C) D) E) sóloI. sóloII. sóloIII. sóloIyII I,IIyIII. 3. Laimagenmuestraunatazayunapersonaquemiralataza(fig.9),seintroduceuna monedade100pesosenlataza,colocàndolahaciaelladoinferiorizquierdo, detal formaquelapersonanoescapazdeverlamonedaamenosqueseacerqueuna distanciamuypequeña.Siluegosevierteaguaenlatazaocurriràque fig.9 A) B) C) D) E) seguiràsinverlamonedayaqueestanosubeporsermàsdensaqueelagua. lamonedasubiràyasIpodràverla. podràverlamonedagraciasaladifracciónqueseproduce podràverlamonedaporelmayorIndicederefraccióndelaguarespectoalaire. ningunadeellas. 10

11. 4. Unhazdeluzpasadeunmedioaotromediodistinto,entoncesdelassiguientes situacionesmostradasenlassiguientesfigurases(son)posible(s) I) II) III) A) B) C) D) E) sóloI. sóloII. sólo III. sóloIyII. sóloIyIII. 5. Respectoalarapidezdelasondaselectromagnéticasqueseencuentranenelespectro visible,escorrectodecirque A) B) C) D) E) laluzrojasiempreviajamàsràpidoquelaluzazul. laluzazulsiempreviajamàsràpidoquelaluzroja. siemprelaluzrojayluzazulviajanconlamismarapidez. enelvacI enunpri otodosloscoloresviajanconlamismarapidez. smalaluzazulviajamàsràpidoquelaluzroja. uzsemueveendosmedios,aguayaire,alrespecto 6. Un rayodel yconsiderando la figura10,seafirmacorrectamenteque 1 2 fig.10 A) B) C) D) E) lazona1esaireylazona2esagua. lalongituddelaondaenlazona1esmayorqueenlazona2. lafrecuenciaenlazona2esmayorqueenlazona1. larapidezdelaondaenlazona2esmayorqueenlazona1. en1y2laslongitudesdeondasoniguales. 7. Esincorrectoafirmarrespectodelasondaselectromagnéticasque A) B) C) D) E) elmicroondasusadoparacalentarlacomidaemiteondaselectromagnéticas. uncelularemiteondaselectromagnéticas. lacentralesnuclearesemitenondaselectromagnéticas. loscablesdealtatensiónubicadosenlaciudademitenondaselectromagnéticas. ningunadeellassepuedepropagaratravésdeunsólido. 11

12. 8. Sehaceincidirsobreunprismaunrayodeluzblanca,detalformaqueelrayoinicial seseparaenlosdistintoscoloresquecomponenlaluzblanca,talcomoseapreciaenla figura11.RespectoalosrayosA,ByC,provenientesdeestaseparaciónseafirmaque alcompararlosentreellos luzblanca A) B) C) D) E) lostrestienenlamismafrecuencia. lostresposeenlamismalongituddeonda. lostresviajanconigualrapidezdentrodelprisma. eldemayorlongituddeondaesA. elqueviajamàsràpidoesC. C B A fig.11 9. IndiquesiesverdaderoconunaVysiesfalsoconunaFparacadaunadelas afirmacionessiguientes,ordenandolasrespuestasenelmismoordenenqueaparecen lasafirmaciones.Seafirmaque • lasestrellasnoestànenlaposiciónquelasvemosdesdelasuperficieterrestre • debidoaqueenlaatmósferaseproducerefracción. • losespejismosquevemosenlacarreteraalconducirunvehiculoseoriginangracias aqueseproducereflexióntotaldelaluzentrelascapasdeaireenlaatmósfera. • podemosv erunarcoirisgraciasalareflexióndelaluz. indicadoen Escorrectolo A) B) C) D) E) VVV FFF VFV FVF FVV 10. aCuàldelassiguientesondaselectromagnéticastienemayorrapidezenelvacIo? A) B) C) D) E) luzultravioleta. luzinfrarroja. rayosX. rayosgamma. ninguna,yaquetodasviajanconlamismarapidez. CLAVESDELOSEJEMPLOS 1A 2D 3E 12