COLEGIO NUESTRA SEÑORA DE FÁTIMA -TUNJA GUÍA DIDACTICA PERIODO Segundo COMPETENCIA Indagadores física GRADO DOCENTE LUIS JAVIER VARGAS CARRERO UNIDAD OPTICA 2022 AÑO Undécimo APROXIMACIÓN AL CONOCIMIENTO CIENTÍFICO Generalmente, las ondas mecánicas pueden ser observadas directamente, pero no podemos hacer lo mismo para la luz que también es una transferencia de energía: de la fuente hacia los objetos y de éstos hacia el ojo. Actualmente, es imposible observar directamente la forma de un rayo o de la onda luminosa en función del tiempo. Por tanto, acerca de la naturaleza de esta transferencia, se han desarrollado varias teorías, basadas en postulados que deben conducir a resultados de acuerdo con la experiencia. La luz se considera como el paso de un electrón de un orbital superior a un orbital inferior. TEORÍA CORPUSCULAR La luz está compuesta de corpúsculos de materia, que se rigen por las leyes mecánicas y se desplazan a gran velocidad. Newton enunció el siguiente postulado: “Todas las fuentes luminosas emiten pequeñas partículas materiales en línea recta con gran velocidad”. La luz no necesita soporte material para propagarse, por tanto, puede viajar en el vacío. TEORÍA ONDULATORIA La luz se comporta como una onda, que necesita de un medio para su propagación, la onda es de naturaleza longitudinal. Huygens, secundado por Young y Fresnel, postuló: ► La luz se debe a vibraciones periódicas. ► La luz simple o monocromática está formada de vibraciones sinusoidales de frecuencia bien definida del tipo Y = A.cos (2𝜋𝑓 ).Y es la elongación, A su amplitud y f su frecuencia. El conjunto de todas las vibraciones luminosas forma la onda o radiación luminosa. ► En el vacío, todas las radiaciones se propagan a velocidad constante, Como esta longitud es muy pequeña, se utilizan nuevas unidades, como: 1 angstrom = 1 A = 10-7 mm = 10-10 m. 1 micrómetro = 1 𝜇𝑚= 10-3 mm = 10-6 m. TEORÍA CUÁNTICA Para poder explicar este último hecho se debió postular la existencia de paquetes de energía, llamados fotones o cuantos, asociados a las vibraciones luminosas. La luz es de naturaleza discontinua, está formada por paquetes de energía, llamados quantum. La mecánica cuántica, la luz tiene una naturaleza dual, se comporta como onda y a veces se comporta como partícula. TEORÍA DUAL, TEORÍA DE LOS CUANTOS (para consulta) ESPEJOS En los espejos planos se produce imagen virtual. Los espejos que no son planos, como los esféricos, proporcionan imágenes distorsionadas, en cuanto a la forma y el tamaño real de los objetos reflejados en ellos. Dentro de los espejos esféricos podemos distinguir dos clases: Cóncavos y los Convexos. Los primeros, poseen la superficie reflectante en la parte interior del casquete esférico, mientras que en los convexos en la parte exterior del mismo. ELEMENTOS DE LOS ESPEJOS Campo del espejo: conjunto de puntos del espacio por los cuales pueden pasar los rayos luminosos que inciden en la superficie reflectora. Centro de curvatura (C): punto del espacio equidistante de todos los puntos del espejo. Radio de curvatura (R): distancia del centro de curvatura al espejo Vértice del espejo (V ): punto medio del espejo. Eje principal: llamado también eje óptico, recta que pasa por el centro de curvatura, el vértice del espejo y el foco. Plano focal: plano perpendicular al eje principal situado a una distancia R/2 del espejo. Foco: punto de intersección del plano focal y el eje principal. Distancia focal (f ): distancia que hay desde el foco hasta el vértice del espejo. FORMULAS do: distancia del objeto hasta el espejo. di: distancia de la imagen hasta el espejo. So: distancia objeto-foco. Si: distancia imagen-foco. Ho: tamaño o altura del objeto. Hi: tamaño o altura de la imagen. f: distancia focal 𝐻𝑜 𝑓 = 𝐻𝑖 𝑆𝑖 𝐻0 𝑑𝑜 = 𝐻𝑖 𝑑𝑖 𝑆𝑜 𝑓 = 𝑓 𝑆𝑖 1 1 1 = + 𝑓 𝑑0 𝑑𝑖 𝐻0 𝑆0 = 𝐻𝑖 𝑓 FENÓMENOS ASOCIADOS A LA LUZ Refracción: Es el cambio brusco de dirección que sufre la luz al cambiar de medio. Este fenómeno se debe al hecho de que la luz se propaga a diferentes velocidades según el medio por el que viaja. El cambio de dirección es mayor, cuanto mayor es el cambio de velocidad, ya que la luz prefiere recorrer las mayores distancias en su desplazamiento por el medio que vaya más rápido. Observaciones: En el fenómeno de la refracción, la velocidad y el ángulo de refracción de la onda varía al cambiar esta de medio. Este cambio va a depender del índice de refracción del medio. Su ecuación es: n=c/v n= Índice de refracción C= Velocidad de la luz en el vacío V= Velocidad de la luz en el medio Ecuación de la Ley de Snell: 𝒔𝒆𝒏 𝒊 𝒗 = 𝒗𝟏 𝒔𝒆𝒏 𝒓 𝟐 𝒏𝟐 𝒏𝟏 𝒗 = 𝒗𝟏 𝟐 𝒔𝒆𝒏 𝒊 𝒏 = 𝒏𝟐 𝒔𝒆𝒏 𝒓 𝟏 Reflexión de la luz: Este fenómeno se puede explicar en un modelo de partículas, una partícula que choca contra una pared se refleja, lo mismo ocurre con algunas ondas, en la cuales se cumple que el ángulo de incidencia = ángulo de reflexión. La reflexión de la luz nos indica su naturaleza. Existen dos tipos de reflexiones: en superficies rugosas y en superficies suaves. a) Reflexión Regular: es aquella en que la luz incide con un ángulo de incidencia sobre una superficie de separación, reflejándose con un ángulo de reflexión, que es igual al de incidencia. Se conoce como Ley de la reflexión. b) Reflexión difusa: La luz incide sobre una superficie, no pulimentada, y el ángulo de incidencia, no es igual al ángulo de reflexión, no cumpliéndose la ley de la reflexión. DESARROLLO DE COMPETENCIAS n=c/v v= λf v= d/ t I. Trabajo de consulta 1. Elabora una línea de tiempo en donde se evidencie la evolución de las teorías de la naturaleza de la luz. 2. Elabore un esquema destacando los aspectos más relevantes de las teorías de la naturaleza de la luz, incluyendo autores. II. Resolución de problemas de ampliación 1. La longitud de onda de luz roja láser helio-neón en el aire es de 632,8· 10-9 m. a) ¿Cuál es su frecuencia? R:4,74x1014hz b) ¿Cuál es su longitud de onda en un vidrio que posee un índice de refracción de 1,5?R:4,22x10-7m/s c) ¿Cuál es su velocidad en el vidrio?R:2x108 m/s 2. Una radiación de frecuencia f=5x1014 (hz) se propaga en el agua. Calcular la velocidad de propagación y la longitud de onda de dicha radiación.R:2,26x108m/s y 4,51x10-7m 3. Considérese un haz de luz monocromática con longitud de onda en el vacío de 590 10-9m Calcular la longitud de onda de este haz en un vidrio con índice de refracción n=1,5.R:3,93x10-7m/s 4. La velocidad de la luz en el plástico es de 2x10 8 m/s. ¿Cuál es el índice de refracción del plástico? R: 1,5 5. ¿Cuál es la frecuencia de la luz que tiene una longitud de onda en el aire de 550 nm? ¿Cuál es su frecuencia en el agua? ¿Y su velocidad en el agua? ¿Y su longitud de onda en el agua? R: 5,45x1014hz, 2,26x108m/s, 4,77x10-7m/s 6.-Un rayo de luz amarilla, emitido por una lámpara de sodio, tiene una longitud de onda en el vacío de 690x10 -9m. Determinar: a. Su frecuencia.R:4,35x1014hz b. Su velocidad de propagación y su longitud de onda en el interior de una fibra de cuarzo, cuyo índice de refracción es n = 1,45. R:2,07x108m/s, 4,76x10-7m/s 7. Una fuente luminosa emite luz monocromática de longitud de onda en el vacío λ0 = 6 x 10-7m (luz roja) que se propaga en el agua de índice de refracción n = 1,34 Determine: a. La velocidad de propagación de la luz en el agua.R:2,24x108m/s b. La frecuencia y la longitud de onda de la luz en el agua.R:5x1014hz , 4,48x10-7m/s 8. La distancia de la luna puede encontrarse con la ayuda de espejos y dejados allá por los astronautas. Se envía un pulso de luz a la Luna y regresa a la Tierra en 2,562 s. Empleando la velocidad definida de la luz, calcule la distancia a la Luna.R:3,84x108 m/s 9. El índice de refracción del prisma es 1,57. Calcule la velocidad de la luz en el prisma.R:1,91x108 m/s 10. Encuentre la velocidad de la luz en: a) Etanol (n = 1,36) b) cuarzo (n = 1,54) R:2,21x108m/s c) vidro pedernal (n = 1,61) R:1,95x108m/s R:1,86x108m/s 11. Un rayo de luz desde el aire incide sobre un estanque de agua con un ángulo de 55º. ¿Cuál es el ángulo de refracción en el agua? R: 38 Responda las preguntas 12, 13 y 14 de acuerdo con la siguiente información: Objeto a 25cm de un espejo cóncavo de 20cm de distancia focal, con gráfico. 12. La posición de la imagen (distancia imagen-espejo) es: A. 100 cm. B. 0, 01 cm. C. 10 cm. D. 0,1 cm. 13. Puesto que di es mayor que cero, se obtiene una imagen. A. Real, menor e invertida. B. Real, derecha y mayor. C. Real, mayor e invertida. D. Real, derecha y menor. 14. Para do = 24cm, Hi = 4Ho, en un espejo cóncavo con imagen real cuatro veces mayor; la distancia imagen espejo y la distancia focal f respectivamente, es. A. 96 cm y 1,92 cm. B. 96 cm y 19,2 cm. C. 24 cm y 1,92 cm. D. 24 cm y 19,2 cm. III. Trabajo práctico PRACTICA DE LABORATORIO MATERIALES ► Fuente de luz. ► Trozo de cartulina negra de 8cm x 8cm. ► Regla – Una cuchilla. ► Lente convergente (una lupa si quiere). ► Lentes utilizadas para corregir defectos visuales. ► Pantalla (cartón blanco). INSTRUCCIONES 1.) Con la cuchilla recorta en la cartulina negra una flecha como se muestra en el gráfico arriba. Tomar la medida de la flecha, éste sería el tamaño ho a partir del cual determinaremos la imagen producida por la lente, pues la luz que la atraviesa incide en la pantalla. 2.) Al armar el montaje, coloca la lente el objeto y la pantalla. Para cierta distancia del objeto a la lente convergente, busca con la pantalla el sitio en el cual puedas proyectar la imagen invertida producida por la lente. 3.) Mida la distancia del objeto a la lente do y de la lente a la imagen di. Luego mida el tamaño de la imagen hi. Registra los datos en la siguiente tabla. No olvide que do distancia objeto-lente, di distancia imagen-lente, f distancia focal, ho tamaño o altura del objeto, y hi tamaño o altura de la imagen. 4.) Cambia varias veces la posición del objeto con respecto a la lente y determina en cada caso la distancia de la imagen a la lente y el tamaño de la misma. Registra los datos en la tabla. 5.) Utiliza la ecuación de las lentes para determinar con cada par de datos do y di, la distancia focal f. Registra los valores en la tabla, siendo 1 1 1 = + 𝑓 𝑑0 𝑑𝑖 6.) Halla la distancia focal promedio. 𝐻 7.) Determina el aumento de la lente en cada caso 𝐻 𝑖 , y registra los datos en la tabla. 0 8.) Coloca la lupa contra la luz solar. Al otro lado de la lente, desplaza una hoja de papel para encontrar el punto en el cual se concentran los rayos solares. Este punto es el foco de la lente. Determi8na la distancia focal de la lente. 9.) Observe una ventana a través de algunas de las lentes utilizadas para corregir defectos de visión. Al tacto indica si son convergentes o divergentes.
