bloque 4.1 óptica física - IES Antonio Serna Serna

BLOQUE 4.1
ÓPTICA FÍSICA
1. NATURALEZA
D E LA LU Z
Hasta ahora hemos considerado a la luz como algo que transporta energía de un lugar a otro. Por
otra parte, sabemos que existen dos formas básicas de transportar energía de un punto a otro, se
puede hacer mediante un movimiento de partículas materiales, como es el caso de la energía del
viento, de una corriente de agua, etc...., o bien mediante ondas, sin que exista un transporte
de
materia, como el sonido.
Cabe plantearse en qué categoría se encuentra la luz: ¿es un chorro de partículas “lumínicas” que
salen del foco o se trata de una onda? Ambas hipótesis (la corpuscular y la ondulatoria) han tenido
a lo largo de la historia más o menos aceptación.
¿TEORÍA ONDULATORIA O TEORÍA CORPUSCULAR?
La teoría corpuscular de la luz se basaba principalmente en los trabajos de Newton y fue la que prevaleció
hasta principios del siglo XIX, ya que inicialmente el
modelo ondulatorio no tuvo mucha aceptación,
debido fundamentalmente al enorme prestigio de Newton y a la falta de respuestas a dos interrogantes:
SI
LA LUZ ERA UNA ONDA,
¿POR
¿POR
QUÉ NO SE HABÍAN OBSERVADO FENÓMENOS DE INTERFERENCIAS Y DIFRACCIÓN?
QUÉ PODÍA PROPAGARSE EN EL VACÍO?
La situación cambió a mediados del siglo XIX, gracias a dos experiencias que sólo podían explicarse
considerando la naturaleza ondulatoria de la luz y que daban respuesta a los interrogantes anteriores:
1. Experiencia de Young de la doble rendija
⇒ INTERFERENCIAS LUMINOSAS
2. Experiencias que demostraron la DIFRACCIÓN DE LA LUZ
La teoría ondulatoria se mostró muy robusta hasta los comienzos del siglo XX, cuando nuevos
experimentos empezaron a mostrar un comportamiento que sólo podía ser explicado por una naturaleza
corpuscular de la luz.
1. EFECTO FOTOELÉCTRICO
2. ESPECTROS ATÓMICOS
Pero entonces ¿cuál es la naturaleza real de la luz? La respuesta es que ambas teorías son correctas.
Según el fenómeno que se esté estudiando la luz se comporta como una onda o como un haz de partículas.
LA LUZ POSEE DOBLE NATURALEZA
El punto de vista actual es aceptar el hecho de que la luz posee una DOBLE NATURALEZA que explica de
forma diferente los fenómenos de la propagación de la luz (naturaleza ondulatoria) y de la interacción de
la luz y la materia (naturaleza corpuscular). Esta dualidad onda/partícula, postulada inicialmente para la
luz, se aplica en la actualidad de manera generalizada para todas las partículas materiales y constituye
uno de los principios básicos de la MECÁNICA CUÁNTICA.
2.FENÓMENOS
QUE DEMOSTRARON LA NATURALEZA ONDULATORIA DE LA LUZ
2.1-INTERFERENCIAS
LUMINOSAS (EXPERIENCIA DE YOUNG DE
LA DOBLE RENDIJA)
Se puede comprobar que cuando dos ondas luminosas procedentes de
dos focos coherentes coinciden en un punto P dado, la intensidad
resultante puede ser mayor o menor que la de cualquiera de las dos. En
el primer caso hablamos de interferencia constructiva y en el segundo
destructiva.
EXPERIENCIA DE YOUNG
Young hizo pasar a través de dos rendijas luz procedente de un mismo
foco, de esta forma se consigue que las rendijas se comporten como dos
focos emisores de ondas idénticas (focos coherentes).
En la pantalla fotográfica obtuvo un sistema de franjas de interferencia ;
constructivas(franjas luminosas) y destructivas (franjas oscuras)
2
2.2-DIFRACCIÓN
DE LA LUZ
Cuando una onda luminosa choca contra un obstáculo o atraviesa una rendija se puede producir este
fenómeno que consiste en que cada punto del frente de ondas genera nuevas ondas luminosas que
interfieren unas con otras. Sin embargo la difracción de la luz no es un fenómeno fácilmente apreciable.
Es tanto más notable cuanto más parecidos sean el tamaño del obstáculo, o de la rendija, y la longitud de
la onda. Puesto que la longitud de onda de las radiaciones que
constituyen el espectro de la luz visible son muy pequeñas (entre 400nm
y 750nm), el tamaño del obstáculo o de la rendija debe ser
suficientemente pequeño para poder observar bien este fenómeno:
En el caso de la imagen de difracción del disco opaco se observa en el
centro de la sombra un punto brillante (impensable en la teoría corpuscular
de
la
luz),
y
además
rodeando
a
la
sombra
aparecen
anillos
alternativamente brillantes y oscuros. Considerando el principio de
Huygens de propagación de las ondas, cada punto del disco se convertirá en un foco emisor de ondas
secundarias y como consecuencia de la interferencia de todas ellas se obtienen estas curiosas figuras de
difracción.Lo mismo sucederá con la rendija, cada punto de la misma emitirá ondas que posteriormente
interfieren constructiva y destructivamente según el punto considerado.
3-¿CÓMO
SON LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS?
¿CÓMO
SE PROPAGAN?
Las ondas luminosas son ondas electromagnéticas, pero ¿cómo se originan?
Al igual que las ondas mecánicas se originan mediante un movimiento vibratorio (generalmente un MAS) de
una partícula que se propaga en el espacio, podríamos decir que las ondas electromagnéticas se originan
gracias a la vibración de una partícula con carga eléctrica pero el mecanismo de propagación es diferente
al de una onda mecánica. Así, cuando se aceleran los electrones o cualquier otra partícula cargada se
origina un campo magnético variable, y éste a su vez un campo eléctrico y así sucesivamente.
Estos campos se propagan tanto en el vacío
como en otros medios, variando entonces su
velocidad
y además lo hacen en planos
perpendiculares
entre
sí
y,
a
su
vez,
perpendiculares a la dirección de propagación
de la onda. Son ondas transversales.
Toda carga eléctrica acelerada emite energía en forma de onda electromagnética.
Recuerda que: Una partícula cargada en movimiento origina un campo magnético a su alrededor y un
campo magnético variable origina una corriente inducida y otro campo eléctrico y así sucesivamente
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¿CUÁL ES LA ECUACIÓN DE UNA ONDA ELECTROMAGNÉTICA?
La propagación de una onda electromagnética puede describirse considerando la propagación del campo
(B ) o del campo eléctrico (E ). En cualquiera de los casos la expresión es análoga a la que ya
r
magnético
r
hemos visto para el caso de una onda mecánica:
La velocidad de cualquier onda electromagnética es la de la luz, que en el vacío alcanza su valor máximo:
c = 3 ⋅ 10 8 m / s
(velocidad de la luz en el vacío )
λ=
c
f
⇒ λ = c ⋅T
En cualquier otro medio su velocidad será menor y dependerá del índice de refracción del medio (n):
n=
c
v medio
4-ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
Entre las ondas electromagnéticas hemos de incluir la luz visible, las ondas de radio, de radar, los rayos X,
los rayos gamma, las microondas y otras, en todas las cuales interviene la propagación de campos eléctricos
y magnéticos a través del espacio con una velocidad c=3·108 m/s (en el vacío).
Van desde las de menor longitud de onda y por tanto mayor energía, como son los rayos gamma y los rayos
X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas
de mayor longitud de onda y menor energía , como son las ondas de radio.
Según la teoría electromagnética clásica, “si una carga oscila con un MAS de frecuencia f, radia
energía en forma de ondas electromagnéticas de igual frecuencia”
Todas las ondas electromagnéticas se generan cuando se aceleran las cargas eléctricas. Las diferencias
entre los distintos tipos de ondas radican en su frecuencia y en su longitud de onda. El ojo humano es
sensible a la radiación electromagnética de unos 400 a 700 nm de longitud de onda (luz visible)
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EJERCICIOS
1.
Explica, brevemente, dos fenómenos físicos a favor de la naturaleza ondulatoria de la luz
(Septiembre2000)
2. El vector campo eléctrico E(t) de una onda luminosa que se propaga en el interior de un vidrio viene
dado por la ecuación:


x 
E (t ) = E cos π × 10  t −

0,65⋅ c  


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o
En la anterior ecuación el símbolo c indica la velocidad de la luz en el vacío, Eo es una constante y la
distancia y el tiempo se expresan en metros y segundos, respectivamente. Se pide:
a. La frecuencia de la onda, su longitud de onda y el índice de refracción del vidrio
b. La diferencia de fase entre dos puntos del vidrio distantes 130 nm en el instante t=0s
Dato: c=3x108 m/s
(Junio 2005)
3. Escribe la ecuación que representa el campo eléctrico de una onda electromagnética plana que se
propaga en el sentido positivo del eje OX. Sabiendo que a amplitud del campo eléctrico es de 8 N/C y
la frecuencia de 1 MHz.
4. Una emisora de radio emite ondas electromagnéticas cuyo campo eléctrico está descrito por
:E
( x, t ) = 10 −3 ⋅ cos ( π ⋅ x − ....t )( S .I ). Completa la ecuación sabiendo que c= 3 · 108 m/s
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