ens (La Haya, 1629-id., 1695) Matemàtico, astrónomo acentista Constantin Huygens, estudió en la Universidad

FISICA

La Luz

Christiaan HuygHijo del poeta ren Colegio de Breda.

y fIsico holandés.de Leiden y en el

Trabajó con Leeuwenhoek en los diseños de los primeros microscopios y realizó algunas delas primeras observaciones de las células reproductoras humanas y propugnó la primera tesis sobre el germen como causa de las enfermedades, doscientos años antes de que ellose hiciera popular. Huygens logró exito, donde Galileo habIa fracasado, la construcción delreloj de péndulo, dotando asI a la ciencia de un verdadero cronómetro. Desde ese momento quedan en completa obsolescencia y desuso las clepsidras y relojes de arena de herenciababilónica que no habIan sido posible remplazar por instrumento alguno antes del acierto delgran genio holandés.Su educación matemàtica estuvo influida por Descartes que visitaba ocasionalmente a los Huygens y se preocupaba por el progreso matemàtico del joven Christiaan. Este adquirióuna pronta reputación en cIrculos europeos por sus publicaciones de matemàticas y por susobservaciones astronómicas, que pudo realizar gracias a los adelantos que introdujo en la construcción de telescopios. Destacan, sobre todo, el descubrimiento del mayor satélite deSaturno, Titàn (1650), y la correcta descripción de los anillos de Saturno, que llevó a caboen 1659.Màs tarde se trasladó a ParIs, donde permaneció desde 1666 a 1681, fecha de su regreso a La Haya. En 1666 fue miembro fundador de la Academia Francesa de Ciencias.Contemporàneo de Isaac Newton, su actitud mecanicista le impidió aceptar la idea defuerzas que actüan a distancia.El mayor logro de Huygens fue el desarrollo de la teorIa ondulatoria de la luz, descrita

ampliamente en el Traité de la lumière (1690), y que permitIa explicar los fenómenos de lareflexión y refracción de la luz mejor que la teorIa corpuscular de Newton. La propuesta deHuygens cayó en el olvido, aplastada por la imagen y prestigio de Newton.

ell, sostiene (1873) que la luz està constituida por onda magnética provocada por alteraciones del campo eléctric cuerpos luminosos.1887) experimentalmente, utilizando un circuito el

La óptica estudia la naturaleza de la luz, sus fuentes de producción, su propagación y losfenómenos que experimenta y produce.

Naturaleza de la luz

TeorIa corpuscular: fue enunciada por Sir Isaac Newton (aproximadamente en 1666),quien formula que la luz estaba formada por pequeños corpüsculos (partIculas) emitidos por los cuerpos luminosos que podIan penetrar las sustancias transparentes (fenómenos de refracción: obedecIa las leyes de la mecànica) y reflejarse en las superficies de los cuerpos opacos (fenómenos de reflexión). Se utilizó para explicar la propagación rectilInea de la luz.

TeorIa ondulatoria: iniciada por Christian Huygens, quien asumIa que la luz estabaformada por ondas semejantes a las del sonido (ondas longitudinales), explicando en ese entonces (1668 aproximadamente publicó su teorIa). Los fenómenos de reflexión, refracción y doble refracción recientemente descubierto, entrando en franca contradicción con Newton.Thomas Young y Augustin Fresnel, enuncian una nueva teorIa ondulatoria, la cual enunciaba que la luz estaba formada por ondas semejantes a las que se forman en una cuerda en vibración (ondas transversales) y que eran emitidas por los àtomos excitados de los cuerpos luminosos, explicàndose en ese entonces (1860) los fenómenos de interferencia, difracción y polarización.James Clero Maxwnaturaleza electro los àtomos de losHeinrich Hertz (determinó que las

s transversales deo y magnético de

éctrico oscilante,ondas electromagnéticas tienen un comportamiento semejante a las

ondas de luz, demostrando ademàs que tenIan igual velocidad de propagación en el vacIocon lo cual concluyó que las ondas electromagnéticas y las de la luz tenIan igual naturaleza.

TeorIa de los Cuanta: fue propuesta por Max Planck (1900), ante la imposibilidad deexplicar un nuevo fenómeno luminoso (fotoelectricidad o efecto fotoeléctrico), teorIa confirmada y ampliada por Albert Einstein (1905). Esta teorIa considera que la energIatransportada por una onda transversal electromagnética no està distribuida en forma continua, sino que en paquetes o corpüsculos energéticos, llamados fotones.

Conclusión

La luz presenta naturaleza dual: Cuando se propaga (fenómeno de propagación) secomporta como una onda transversal electromagnética; pero cuando interacciona con la materia (procesos de absorción y emisión mutua, entre la luz y la materia) presenta caràctercorpuscular (corpüsculos energéticos).

2

: Si la superficie es rugosa, los rayos reflejados sa e la normal en diferentes puntos puede ser distinta, p er figura 3).

Fenómenos de la luz

Reflexión de la luz

La luz viaja en lInea recta y a una velocidad de 300.000 km/s en el vacIo, la que seconsidera la velocidad màxima en el Universo conocido. Cuando un rayo luminoso llega a la superficie de un medio de distinta densidad, puede ser transmitido a través de él o reflejado (o ambas cosas).

Existen dos tipos de reflexión: especular y difusa lo que depende de que tan lisa y suavees la superficie donde inciden los rayos luminosos. Sólo la reflexión especular es capaz de producir imàgenes, las cuales se forman donde se interceptan los rayos reflejados, para elcaso de las imàgenes reales y en sus prolongaciones en el caso de las virtuales.

Hay leyes fIsicas que describen el fenómeno de reflexión de la luz. Una ley dice que elàngulo de incidencia de cada rayo luminoso es igual al àngulo de reflexión (ver figura 1), respecto de la recta normal (N). La otra ley establece que tanto el rayo incidente, como el rayo reflejado y la normal estàn en un mismo plano.

Reflexión especular: Cuando la luz llega en forma de rayos paralelos incidiendo sobre unasuperficie plana y muy lisa, los rayos reflejados son también paralelos (ver figura 2).

Reflexión difusadirecciones, porqu reflexión difusa (v

len en todas lasroduciéndose una

rayoincidente

rayoreflejado

a1 a2

Reflexión especular Reflexión difusaSegün la ley de la reflexiónse cumple que a1 = a2

fig. 1 fig. 2 fig. 3

El principio de Fermat y la ley de reflexión

El principio de Fermat es otra manera de expresar la ley de reflexión. Este principio dice queun rayo de luz al viajar de un punto a otro, siempre lo harà por el camino que le tome menos tiempo.

3

e pueden establecerse las dos leyes siguientes que rigen

te, la normal y el rayo refractado estàn en un mismo pla

“la razón entre los senos de los àngulos de incidencia

Refracción de la luz

Se ha establecido que la velocidad de propagación de la luz depende de la naturaleza delmedio en que se propaga.

Igualmente se ha comprobado que si un rayo luminoso pasa de un medio a otro, incidiendooblicuamente sobre la superficie de separación de ambos medios, experimenta un cambio de dirección en su desplazamiento. Si la incidencia es normal (perpendicular), sólo hay variación de velocidad.

La causa de estos cambios de velocidad y dirección, o de velocidad solamente, en eldesplazamiento de la luz, se atribuye a cierta propiedad que caracteriza a los medios transparentes y que se denomina refringencia o poder refringente.

El Indice de refracción absoluto de un medio da una medida cuantitativa de su refringencia,de modo que, comparando dos medios, tendrà mayor poder refringente aquel que tenga un mayor Indice de refracción.

El fenómeno debido a la refringencia se denomina refracción, por lo cual se tiene que:

“Un haz luminoso experimenta refracción si cambia su velocidad o su velocidad y ladirección de propagación simultáneamente al pasar de un medio a otro de distinto Indice de refracción absoluto o refringencia”

Experimentalment este proceso:

— El rayo inciden

— Ley de Snell:constante para un mismo par de medios”

no.

y de refracción es

senO ni = 2 = cte

senO nR 1

Por otra parte:

n v 2 = 1

n v1 2

siendo v1 y v2 las velocidades de la luz en los mediosrespectivamente.

de Indice de refracción n1 y n2,

Nota: la velocidad de la luz en un medio (de Indice de refracción absoluto n) està dada por

v = c donde c = 3x108 m/s (velocidad de la luz en el vacIo)n

4

o de menor Indice de refracción absoluto, se refracta

Indice de refracción absoluto en algunas sustancias

Agua 1,3

Alcohol etIlico 1,36

Glicerina 1,46

Bencina 1,51

Diamante 2,42

Vidrio ordinario 1,50

Cristal 1,60

Hielo 1,31

Aire 1,00029

De la ley de Snell pueden deducirse, ademàs, las siguientes conclusiones de importancia:

— Si un rayo luminoso, pasa oblicuamente de un medio de menor Indice de refracciónabsoluto a otro de mayor Indice de refracción absoluto, se refracta acercàndose a la normal.

— Si un rayo luminoso pasa oblicuamente de un medio de mayor Indice de refracciónabsoluto a otrnormal.

alejàndose de la

Angulo lImite

Como se dijo anteriormente, si un rayo luminoso pasa oblicuamente de un medio de mayorIndice de refracción absoluto a otro de menor Indice de refracción absoluto, se refracta alejàndose de la normal.

De este modo a medida que el àngulo de incidencia se va haciendo màs grande, el àngulo derefracción puede llegar a crecer tanto que el rayo refractado emerja por la superficie de separación con un valor de 900.

Por lo tanto, àngulo lImite es el àngulo de incidencia para el cual el àngulo de refracción vale900.

Si el segundo medio es el aire o el vacIo, el àngulo lImite es caracterIstico de la sustancia yse llama ángulo lImite de la sustancia.

Si la luz incide en la superficie de separación de dos medios desde el medio de mayor Indicede refracción con un àngulo mayor que el àngulo limite, el fenómeno que se presenta se conoce con el nombre de reflexión interna total.

5

Sol Tierra

atmósfera: el sol se ve a pesar de estar algo mas bajo que el horizonte

Refracción en la atmósfera terrestre.

De especial importancia, como ejemplo de refracción, es la marcha de la luz proveniente de

los astros a través de las numerosas capas de aire, de densidades crecientes y de Indices de

refracción también crecientes, que constituyen la atmósfera terrestre y que aquella debe

atravesar.

Un rayo de luz que penetre en la atmósfera oblicuamente, experimenta sucesivas

refracciones al atravesar cada una de estas capas de distinto Indice de refracción absoluto,

acercàndose a la normal.

SolSol

Horizonte geométrico

Refracción en la geométrico

fig. 4

Un observador verà el astro en la dirección del ültimo rayo refractado y es por esto que el

astro parece encontrarse a una altura mayor sobre el horizonte que la que tiene realmente.

Debido a esto, por ejemplo, las estrellas no se ven en sus posiciones verdaderas, a menos

que se hallen en el cenit, o sea, verticalmente sobre el observador. El mismo fenómeno

explica también el hecho de que se pueda ver el disco solar o la luna aün cuando el astro se

encuentre un poco màs abajo del horizonte geométrico.

Un fenómeno terrestre, producido por la refracción en la atmósfera y la reflexión total, es el

espejismo, el cual es frecuente en los desiertos y caminos, en dIas de intenso calor. El

calentamiento de las capas de aire en contacto con la tierra trae consigo una disminución de

la densidad e Indice de refracción de estas capas, de modo que las màs bajas resultan ahora

menos densas y poseen un menor Indice de refracción absoluto que las superiores. Esto

explica las capas de agua que se aprecian a la distancia en un camino, durante los dIas

calurosos pero en realidad lo que se ve no es sino una parte del cielo azul reflejado.

6

Color Longitud de onda (x 10-10m)

Rojo 6500Anaranjado 6000Amarillo 5800Verde 5200Azul 4700Violeta 4100

Dispersión

La mayor parte de los haces luminosos estàn formados por mezclas de rayos. FIsicamentecada rayo corresponde a una longitud de onda distinta. Esto implica que cuando un haz luminoso atraviesa de un medio a otro, no todos los rayos seràn refractados con el mismoàngulo. Mientras que la velocidad, en el vacIo, es la misma para todas las longitudes de onda, no ocurre lo mismo cuando se està en un medio material; cada rayo tiene una velocidad distinta. Lo anterior se debe a que el medio material le presenta un mayor Indice de refracción a los rayos con menor longitud de onda y viceversa.

Podemos decir, entonces, que la velocidad del rayo dependerà de su longitud. Se dirà que un medio produce dispersión cuando presenta esta propiedad.Un ejemplo de esto se puede observar en el prisma (fig. 5). Si se hace incidir un rayo de luz blanca se obtendràn una serie de colores en la otra cara. Al conjunto de colores que seobtiene, usualmente, se da el nombre de espectro.

fig. 5

El Color y la longitud de onda

El fenómeno de la dispersión plantea de inmediato la pregunta aqué es el color? Adhiriendoal modelo ondulatorio uno interpreta cada color como una onda con “longitud de onda“ caracterIstica. La longitud de onda y la velocidad de la luz en el medio estàn relacionadosmediante:

. = v donde . : longitud de onda, v: velocidad y f: frecuencia.f

La siguiente tabla nos presenta las longitudes de onda para distintos colores. Para obtener elvalor de la frecuencia basta reemplazar en la ecuación anterior el valor de la velocidad de la luz en el vacIo.

7

omagnético

ctro electromagnético al conjunto de ondas electromagné tado las longitudes de onda en relación al tamaño de c na medida, y se ha indicado el nombre que tiene cada

El Color y el Indice de Refracción

De lo discutido anteriormente se pueden obtener las siguientes conclusiones:

a)El vidrio, si descompone la luz en colores, es un medio dispersivo.b)Midiendo los àngulos de cada color y aplicando la ley de Snell es posible calcular el incide de refracción del medio, con ello, la velocidad de la luz en el medio.

En otras palabras, la sustancia de que esta hecho el prisma tiene un Indice de refraccióndistinto para cada color y por supuesto, una desviación (àngulo de refracción) distinta para cada color. El color menos desviado es el rojo y el màs desviado el violeta. En ese mismo orden decrecen las longitudes de onda de modo que a mayor longitud de onda correspondemenor desviación (a mayor longitud de onda, una misma sustancia ofrece menor Indice de refracción).

Nota: Decimos que un objeto tiene un color cuando, con preferencia, refleja o transmite lasradiaciones correspondientes a tal color. Por ejemplo, un cuerpo es rojo cuando absorbe en casi su totalidad, todas las radiaciones menos las rojas, las cuales refleja.El color de los cuerpos no es unanaturaleza de la luz que reciben.

propiedad intrInseca de ellos, sino que va ligado a la

Espectro electr

Se denomina espe6 se han represen familiares, en algu supuesto, es luz.

ticas. En la figuraosas que nos son radiación que, por

fig. 6

8

y refracción.n y refracción.

fig

EJEMPLOS

1. Cuando una onda electromagnética pasa de un medio a otro disminuye su longitud deonda en un décimo, entonces el periodo de la onda

A)B)C)D)E)

no cambia.disminuye en un décimo.aumenta en un décimo.disminuye en dos décimos.aumenta en dos décimos.

2. En la figura 7 se representa una onda que pasa de un medio a otro. Con base en lafigura es correcto decir que los fenómenos que se observan son

A)B)C)D)E)

dispersión y reflexión.difracción y reflexión. difracción y refracción. reflexióndispersió

a a

. 7

3. Un rayo de luz viaja por el vacIo y luego atraviesa tres zonas cuyos Indices derefracción son n1, n2 y n3. Si n1 > n2 > n3, entonces respecto a la rapidez de la luz seafirma que

vacIo

n1 1

n2 2

n3 3

fig. 8

A)B)C)D)E)

es la misma en todas partes.de las tres zonas donde viaja màs ràpido es en la zona 1.en el vacIo es menor que la rapidez en cualquiera de las tres zonas.es mayor en el vacIo pero en las tres zonas es la misma.de las tres zonas donde viaja màs ràpido es en la zona 3.

9

.

PROBLEMAS DE SELECCIÔN MULTIPLE

1. aCuàl de las siguientes ondas corresponde a la que tiene menor longitud de onda?

A)B)C)D)E)

Ondas correspondientes al azul.Ondas infrarrojas. Ondas de rayos X. Luz ultravioleta.Ondas correspondientes al amarillo.

2. Al realizar las siguientes afirmaciones:

I)II)

III)

La luz viaja en lInea recta.La luz es una onda tridimensional.La luz es una onda electromagnética.

Es (son) verdadera(s)

A)B)C)D)E)

sólo I.sólo II. sólo III. sólo I y II I, II y III.

3. La imagen muestra una taza y una persona que mira la taza (fig. 9), se introduce unamoneda de 100 pesos en la taza, colocàndola hacia el lado inferior izquierdo, de tal forma que la persona no es capaz de ver la moneda a menos que se acerque una distancia muy pequeña. Si luego se vierte agua en la taza ocurrirà que

fig. 9

A)B)C)D)E)

seguirà sin ver la moneda ya que esta no sube por ser màs densa que el agua.la moneda subirà y asI podrà verla.podrà ver la moneda gracias a la difracción que se producepodrà ver la moneda por el mayor Indice de refracción del agua respecto al aire.ninguna de ellas.

10

o todos los colores viajan con la misma rapidez.sma la luz azul viaja màs ràpido que la luz roja.

uz se mueve en dos medios, agua y aire, al respecto

4. Un haz de luz pasa de un medio a otro medio distinto, entonces de las siguientessituaciones mostradas en las siguientes figuras es (son) posible(s)

I) II) III)

A)B)C)D)E)

sólo I.sólo II. sólo III. sólo I y II. sólo I y III.

5. Respecto a la rapidez de las ondas electromagnéticas que se encuentran en el espectrovisible, es correcto decir que

A)B)C)D)E)

la luz roja siempre viaja màs ràpido que la luz azul.la luz azul siempre viaja màs ràpido que la luz roja. siempre la luz roja y luz azul viajan con la misma rapidez. en el vacIen un pri

6. Un rayo de l y considerando lafigura 10, se afirma correctamente que

1

2

fig. 10

A)B)C)D)E)

la zona 1 es aire y la zona 2 es agua.la longitud de la onda en la zona 1 es mayor que en la zona 2.la frecuencia en la zona 2 es mayor que en la zona 1.la rapidez de la onda en la zona 2 es mayor que en la zona 1.en 1 y 2 las longitudes de onda son iguales.

7. Es incorrecto afirmar respecto de las ondas electromagnéticas que

A)B)C)D)E)

el microondas usado para calentar la comida emite ondas electromagnéticas.un celular emite ondas electromagnéticas.la centrales nucleares emiten ondas electromagnéticas.los cables de alta tensión ubicados en la ciudad emiten ondas electromagnéticas.ninguna de ellas se puede propagar a través de un sólido.

11

er un arcoiris gracias a la reflexión de la luz.

indicado en

8. Se hace incidir sobre un prisma un rayo de luz blanca, de tal forma que el rayo inicialse separa en los distintos colores que componen la luz blanca, tal como se aprecia en la figura 11. Respecto a los rayos A, B y C, provenientes de esta separación se afirma que al compararlos entre ellos

luz blanca

A)B)C)D)E)

los tres tienen la misma frecuencia.los tres poseen la misma longitud de onda.los tres viajan con igual rapidez dentro del prisma.el de mayor longitud de onda es A.el que viaja màs ràpido es C. C

BA

fig. 11

9. Indique si es verdadero con una V y si es falso con una F para cada una de lasafirmaciones siguientes, ordenando las respuestas en el mismo orden en que aparecen las afirmaciones. Se afirma que

● las estrellas no estàn en la posición que las vemos desde la superficie terrestredebido a que en la atmósfera se produce refracción.

● los espejismos que vemos en la carretera al conducir un vehiculo se originan gracias a que se produce reflexión total de la luz entre las capas de aire en la atmósfera.

● podemos v

Es correcto lo

A)B)C)D)E)

VVVFFFVFVFVFFVV

10. aCuàl de las siguientes ondas electromagnéticas tiene mayor rapidez en el vacIo?

A)B)C)D)E)

luz ultravioleta.luz infrarroja.rayos X.rayos gamma.ninguna, ya que todas viajan con la misma rapidez.

CLAVES DE LOS EJEMPLOS

1A 2D 3E

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