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EXPERIMENTOS SELECCIONADOS DE ÓPTICA Adriana Vásquez Julia Peña Manuel Vielma María Macana Víctor Guada Manual de Laboratorio, Departamento de Física. PRÓLOGO El presente manual ha surgido de una propuesta divulgativa que busca acercar al público general al ámbito científico a través de una serie de experimentos rápidos y fáciles que proporcionan una introducción acerca de ciertos fenómenos de la naturaleza. Los medios y objetivos de estas experiencias han brotado a raíz de un proyecto en conjunto que define la labor del Museo de Ciencia y Tecnología de Mérida (MUCYT) y del departamento de Física de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Los Andes. Los esfuerzos asumidos en esta dirección responden en particular a los requerimientos de servicio comunitario de la Universidad de Los Andes, bajo los preceptos de difusión de la ciencia y de interacción ciencia-comunidad. El enorme impacto de la ciencia en la vida cotidiana moderna demuestra la necesidad de una relación más directa y profunda entre aquélla y los distintos elementos de la sociedad. Un ejemplo claro del potencial de impacto de la ciencia es la Física. Es por esta razón que se ha hecho aquí un énfasis importante en fenómenos naturales estudiados por esta rama del conocimiento. Es de esperarse, sin embargo, que esfuerzos futuros expandan los límites hacia otras áreas. En esta primera etapa se presentan experiencias dedicadas al estudio de la naturaleza de la luz. Son, pues, experimentos de Óptica e involucran fenómenos que van desde la refracción hasta la reflexión de la luz. La reproducción de estas páginas para fines educativos no sólo es bienvenida sino fomentada. Su utilización en los espacios del MUCYT y en cualquier centro de enseñanza es el objetivo de esta obra. Los autores. INTRODUCCIÓN La Física es la ciencia que estudia el mundo natural que nos rodea. Explica cómo y por qué funciona un espejo, por qué no podemos ver en la oscuridad y por qué los pájaros pueden volar. La Física es tan fascinante y amplia que se divide en varios campos para mejor entenderla; algunos de éstos son la mecánica, el calor, la óptica, la electricidad y magnetismo, y la acústica. Este manual abre las puertas a una de las ramas más excitantes de la Física: la Óptica, el estudio de la luz. La mayoría de nosotros considera la luz como algo muy natural, pero en realidad es un fenómeno extraordinario, que en una época fue un gran misterio. La luz solar influye mucho en nuestra vida diaria: en cómo nos vestimos, a dónde podemos ir y cómo empleamos nuestro tiempo. Es también la única fuente de energía para las plantas. Por ello, no es de sorprender la importancia que tiene el estudio de la óptica. Antes de los principios de siglo XIX, se consideraba la luz como una corriente de partículas, llamadas corpúsculos, que eran emitidas por la fuente de luz y estimulaban el sentido de la vista cuando entraban en el ojo. El principal artífice de esta teoría corpuscular de la luz fue Isaac Newton. Con esta teoría, Newton fue capaz de dar una explicación simple de algunos hechos experimentales conocidos relacionados con la naturaleza de la luz. La mayoría de los científicos aceptaron la teoría corpuscular de la luz de Newton. Sin embargo, durante la vida de Newton se propuso otra teoría: Se argumentaba que la luz podría ser algún tipo de movimiento ondulatorio. Aproximadamente al mismo tiempo, Christian Huygens, físico holandés, arguyó que la luz se desplazaba mediante ondas. Diversos experimentos realizados en años posteriores . ¿Sabías que…? Sin la luz del Sol, no habría vida en la Tierra. ¿Sabías que…? El ojo humano ha evolucionado para ser particularmente sensible al tipo de luz predominantemente emitida por el Sol. demostraron que la luz en efecto se comporta como onda en algunas situaciones. El físico inglés James Clerk Maxwell, sustentó en 1860 la teoría de que la luz es de carácter electromagnético. Él creía que la luz viajaba en ondas y que éstas eran de naturaleza eléctrica, no mecánica como las ondas del sonido. En 1900, el físico alemán Max Planck sostuvo la idea de que la luz podría estar formada por pequeños paquetes de energía a los que llamó cuantos. Esto condujo al desarrollo de la teoría de los cuantos, que estableció que la luz se desplaza en ondas pero es de naturaleza corpuscular. De alguna manera, Newton y Huygens tenían razón. Los experimentos que realizaremos nos permitirán abordar fenómenos tanto de reflexión como de refracción de la luz visible, que se rigen por las leyes de la óptica geométrica (cuando podemos aproximar la luz como rayos). Estudiaremos sistemas de espejos con características especiales que tienen efectos sobre las imágenes formadas. Analizaremos asimismo el paso de haces de luz a través de distintos medios, la descomposición de la luz blanca en distintos colores. Finalmente, describiremos algunas situaciones en las que se evidencia la naturaleza ondulatoria de la luz, como la difracción. ¿Sabías que…? La teoría de los cuantos de Planck dio lugar a una revolución en Física llamada Mecánica Cuántica que describe el extraño mundo de las partículas subatómicas ¿Sabías que…? La luz visible está compuesta de muchos haces de distintos colores como en un arcoíris que sumados dan la impresión de un color único. ¿Sabías que…? Las gafas de tus abuelos son un ejemplo de cómo podemos modificar la trayectoria de la luz para obtener imágenes deseadas. REFLEXIÓN DE LA LUZ Ley de la reflexión de la luz En los experimentos que siguen se observarán algunos fenómenos descritos por la óptica geométrica. Los objetos ópticos utilizados en este caso son de dimensiones mayores a la longitud de onda de la luz, con lo que se desprecia la naturaleza ondulatoria de la misma y se permite emplear la noción de rayo de luz. En este contexto, un rayo de luz es la línea recta imaginaria que describe la dirección de propagación de la luz, el cual puede ser generado por un apuntador láser. Una de las leyes de la óptica geométrica es la ley de la reflexión, cuyo enunciado dicta que el ángulo de incidencia del rayo sobre una superficie es igual al ángulo de reflexión del mismo, respecto a la normal de dicha superficie. Con este experimento se observará este fenómeno para diferentes ángulos. Objetivo Comprobar la ley de la reflexión de la luz. Necesitamos o Una pecera con tapa. o Un transportador. o Un espejo plano. o Un apuntador láser. ¿Sabías que…? Los rótulos que van en la parte delantera de las ambulancias son escritos de forma invertida para que puedan ser vistos fácilmente por el espejo retrovisor del coche que va delante de la ambulancia. ¿Cómo lo armamos? En la base de la pecera coloca horizontalmente un espejo plano, sobre el cual se ubicará de forma perpendicular el transportador. Llena la pecera con humo y tápala para que no se escape. Haz incidir el rayo de luz proveniente del apuntador láser sobre el espejo en el centro del transportador, donde se podrán medir los ángulos de incidencia y de reflexión. ¿Qué sucede? Si se interrumpe la trayectoria de un rayo de luz con un espejo, cambiará su dirección de propagación hacia donde se originó. Si el ángulo de incidencia es de 0° se observa un solo rayo, en realidad el rayo reflejado sigue la misma dirección del incidente (pero diferente sentido); pero si el ángulo es distinto de cero, el rayo reflejado regresa hacia donde se originó con el mismo ángulo respecto a la normal del rayo incidente. Doble reflexiónde la luz Utilizando varios espejos se pueden obtener otros fenómenos de reflexión, es este caso se utilizarán seis pares de espejos, que forman ángulos de 90°, 45° y 120°, para observar la doble reflexión de la luz. Objetivo Generar dos rayos mediante la reflexión de la luz en espejos planos. ¿Sabías que…? Cuando un haz láser pasa a través de una región con humedad, humo, u otro tipo de partículas en el aire, puede verse la luz dispersada. Este efecto es utilizado en grandes espectáculos al aire libre, cuando se requiere que el efecto sea visto desde distintas distancias. Necesitamos o Una pecera con tapa. o Seis espejos planos. o Un transportador. o Un apuntador láser. ¿Cómo lo armamos? Con la ayuda del transportador podemos construir pares de espejos con ángulos de 45°, 90° y 120° entre ellos. Colócalos en la pecera con la parte reflectante hacia arriba. Llena la pecera con humo y tápala. Con el apuntador láser se observa la doble reflexión del rayo incidente sobre cada par de espejos, los cuales se cruzan en el primer caso, son paralelos en el segundo y divergen en el tercero. ¿Qué sucede? Llamemos línea normal 1 y línea normal 2 del espejo 1 y el espejo 2 respectivamente. Cuando el rayo incide sobre el espejo 1 con cierto ángulo 1 respecto a la normal 1, se refleja con este mismo e incide sobre el espejo 2 con un ángulo 2 respecto a la normal 2. Finalmente el rayo que emerge hacia el exterior lo hace con un ángulo 2. En el caso de los 90° el ángulo 1 y 2 son iguales, es por esto que los rayos son paralelos. En el caso de los 45° el ángulo 2 es menor al ángulo 1 y los rayos convergen. Para los 120° el ángulo 2 es mayor al ángulo 1 y los rayos divergen. Reflexión difusa y especular de la luz La reflexión de la luz depende siempre de la superficie en la que ésta incide, por lo tanto el rayo reflejado por una superficie pulida es diferente al reflejado por una ¿Sabías que…? El asfalto es una superficie áspera e irregular por lo cual el tipo de reflexión es una combinación de reflexión especular y difusa. Este tipo de reflexión mixta es la que se da en la mayoría de los materiales reales. superficie corrugada, a estos fenómenos se les conoce como reflexión especular y difusa de la luz, respectivamente. La reflexión especular ocurre cuando el rayo reflejado tiene el mismo ángulo del rayo incidente, mientras que la difusa ocurre cuando del rayo incidente se reflejan varios rayos en diferentes direcciones. Objetivo Observar cómo cambia la reflexión de la luz en diferentes superficies. Necesitamos o Dos peceras con tapa o Un espejo plano o Papel de aluminio o Un apuntador láser ¿Cómo lo armamos? En la base de una pecera se coloca un espejo plano y en la otra un rectángulo de papel aluminio previamente corrugado. Se llenan las peceras con un poco de humo y se tapan para que no se escape. Se apunta con el láser a ambas superficies para observar los distintos resultados. ¿Qué sucede? Cuando se tiene una superficie plana y reflectante, el rayo de luz incidente y reflejado cumplen con la ley de reflexión y tienen la misma intensidad, pero en una superficie corrugada se observan distintos rayos con intensidades menores, esto sucede por el hecho de que el papel de aluminio corrugado está compuesto de pequeñísimas superficies planas con líneas normales diferentes, así el rayo incidente se refleja en cada ¿Sabías que…? El sistema óptico del ojo recoge los rayos difundidos y forma con ellos la imagen del objeto. Por eso podemos ver todos los puntos de la superficie en la que se produce la reflexión difusa. superficie con una dirección diferente. Como la intensidad del rayo incidente debe ser la misma del reflejado estos rayos son más difusos, pero al sumarlos regresan a la intensidad original. Trayectoria de la luz en varias superficies Ya se ha observado cómo cambia la trayectoria de la luz sobre un espejo (reflexión total), ahora observaremos que sucede con el rayo cuando incide sobre superficies que no son totalmente reflectantes. Objetivo Observar como es la trayectoria de un rayo de luz que incide sobre una superficie transparente, semi transparente y opaca. Necesitamos o Una pecera con tapa o Una superficie de vidrio transparente o Una superficie de vidrio semi transparente o Una superficie de vidrio opaca o Un apuntador láser ¿Cómo lo armamos? Se colocan verticalmente las tres superficies de vidrio con una separación considerable entre ellas. Se llena la pecera con humo y se tapa, luego se hace incidir el rayo láser sobre cada superficie para observar los distintos fenómenos. ¿Qué sucede? En el vidrio transparente el rayo incidente pasa a través de la superficie y además se refleja un rayo con menor intensidad hacia el otro lado. En el caso del vidrio semi transparente pasa lo contrario, mientras que en el vidrio opaco no traspasa ni se refleja el rayo. ¿Sabías que…? La luz cuando se propaga en un medio no homogéneo, no se propaga en línea recta. En los dos primeros casos la reflexión se debe a que ambas superficies son pulidas pero una es menos reflectante que la otra, por otro lado, el rayo que atraviesa las superficies es más intenso en la superficie transparente debido a que la luz puede pasar libremente, es decir, no interacciona con las partículas del vidrio, mientras que en el semi-transparente la interacción es mayor. En el vidrio opaco no ocurre reflexión debido a la alta interacción de las partículas con el rayo, en este caso se dice que la superficie absorbe la luz. Para saber más… En la web - Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Reflexión_(física). - Aula clic: http://www.aulaclic.es/fotografia-photoshop/t_ 4_8.htm. Textos - R. Wood, “Física para niños: 49 experimentos sencillos de óptica”,1991 ¿Sabías que…? Cuando la luz blanca llega a un material, éste absorbe todos los colores excepto uno, el que finalmente vemos.. REFLEXIÓN MÚLTIPLE Los espejos son una manera fácil y sencilla de experimentar algunos de los fenómenos que conciernen a la óptica. Son muchas las formas que pueden adoptar las superficies a las que llamamos ‘espejos’. Un espejo plano, por ejemplo, es una superficie plana pulida que tiene la capacidad de reflejar la luz que le llega, generando una imagen virtual de igual forma y tamaño que el objeto real que genera dicha luz. La imagen resultante en un espejo es derecha pero invertida en el eje normal al espejo. El producto de colocar dos espejos planos formando cierto ángulo entre sí, es la apreciación de varias imágenes dependiendo de la magnitud del ángulo. Con el siguiente experimento comprobaremos las diferentes imágenes formadas, dependiendo éstas del ángulo de separación entre los espejos. Objetivo Constatar la formación de múltiples imágenes al variar el ángulo formado por dos espejos planos. Necesitamos… o Dos espejos rectangulares enmarcados de al menos 25cm de base por 15 cm de altura. o Marco de madera de dimensiones similares al del espejo y de anchura adecuada (aproximadamente 2 cm) para mantener la configuración perpendicular a la mesa. o Bisagras para unir los espejos en uno de los lados (el número varía según la dimensión escogida para el experimento) o Objeto a reflejar ¿Cómo lo armamos? La figura 1 muestra la disposición final del arreglo experimental que ilustra el fenómeno de reflexión múltiple. Un par de espejos rectangulares enmarcados son dispuestos perpendicularmente a la mesa de [Escriba el contenidode la barra lateral. Una barra lateral es un complemento independiente del documento principal. Suele estar alineada a la izquierda o a la derecha de la página o situada en la parte superior o inferior de la misma. Utilice la ficha Herramientas de cuadro de texto para cambiar el formato del cuadro de texto de la barra lateral. Escriba el contenido de la barra lateral. Una barra lateral es un complemento independiente del documento principal. Suele estar alineada a la izquierda o a la derecha de la página o situada en la parte superior o inferior de la misma. Utilice la ficha Herramientas de cuadro de texto para cambiar el formato del cuadro de texto de la barra lateral.] ¿Sabías que…? Cuando los pueblos antiguos lograron dominar la metalurgia, hicieron espejos puliendo superficies metálicas. Su uso llegó a estar muy extendido en civilizaciones como la egipcia, la griega, la etrusca y la romana manera que formen un ángulo. Este ángulo puede ser variado si los marcos son unidos en un lado por una serie de bisagras. Dependiendo del ángulo, se formará un número variable de imágenes del objeto colocado entre los espejos. Figura 1 ¿Qué sucede? Si se colocan dos espejos planos de tal forma que la imagen reflejada de uno quede ubicada por delante del otro espejo, o de su prolongación, esta se comportará como un objeto virtual para el mismo, formando una nueva imagen virtual que podrá seguir formando otras imágenes siempre que no se proyecte sobre las caras no reflectoras de los espejos. Reflexión infinita Si entre dos espejos paralelos es colocado un objeto, este objeto se verá reflejado sucesivamente un gran número de veces en los espejos (véase figura 2). Para este experimento, bastan dos espejos de dimensiones comparables a las del objeto a reflejar. Uno de los espejos debe tener un orificio central de aproximadamente 1 cm de radio. Para mantener los espejos en posición paralela, es necesaria una base. ¿Sabías que…? Cuando los pueblos antiguos lograron dominar la metalurgia, hicieron espejos puliendo superficies metálicas. Su uso llegó a estar muy extendido en civilizaciones como la egipcia, la griega, la etrusca y la romana ¿Sabías que…? Puedes leer un texto invertido con la ayuda de un espejo. Leonardo da Vinci, que era zurdo, no solo utilizó su facilidad para escribir de derecha a izquierda, sino que escribió crípticamente usando un espejo. Sus textos pueden descifrarse fácilmente con ayuda de un espejo. Figura 2 Necesitamos… o Dos espejos cuadrados planos de al menos 20 cm por 20 cm. o Cuatro listones de madera en forma paralelogramos para formar las bases de los espejos. El largo de éstos debe ser ligeramente mayor a la longitud de los lados de los espejos, y su ancho debe ser apropiado para mantener el arreglo perpendicular a la mesa (para las dimensiones sugeridas, 2 cm como mínimo) o Objeto a reflejar. También… La impresión es mayor si el arreglo se hace a escala humana. Una combinación de los fenómenos de reflexión múltiple e infinita puede darse en un cuarto de espejos En este cuarto podría recrearse un laberinto, por ejemplo. Para esto, serían necesarios varios espejos idénticos de dimensiones similares a las de una puerta común. Para saber más… En la web - Private Maths and Physics Tuition: http://www.astarmathsandphysics.com/o-level- physics-notes/o-level-physics-notes-multiple-im ages.html. - Fisica5colegio17: [Escriba el contenido de la barra lateral. Una barra lateral es un complemento independiente del documento principal. Suele estar alineada a la izquierda o a la derecha de la página o situada en la parte superior o inferior de la misma. Utilice la ficha Herramientas de cuadro de texto para cambiar el formato del cuadro de texto de la barra lateral. Escriba el contenido de la barra lateral. Una barra lateral es un complemento independiente del documento principal. Suele estar alineada a la izquierda o a la derecha de la página o situada en la parte superior o inferior de la misma. Utilice la ficha Herramientas de cuadro de texto para cambiar el formato del cuadro de texto de la barra lateral.] ¿Sabías que…? Las casas de espejos halladas en algunos parques temáticos usan el principio de reflexión múltiple para causar la ilusión de laberinto. http://fisica5colegio17.blogspot.com.es/2009/0 6/espejos-en-angulo-imagenes-multiples.html. - The Physics Classroom: http://www.physicsclassroom.com/class/refln/u 13l2f.cfm. Textos - R. Wood, “Fisica para niños: 49 experimentos sencillos de óptica”,1991. - R. Serway, J. Jewett, “Física para Ciencias e Ingeniería”, 2008. REFRACCIÓN DE LA LUZ La luz no siempre sigue una misma dirección, sino que se desvía al pasar oblicuamente de un medio a otro. A tal desviación se le llama refracción. Estos medios presentan diferentes características que modifican la velocidad de propagación de la luz en ellos con respecto a su rapidez en el vacío. La cantidad que relaciona estas velocidades se denomina índice de refracción (n) del material (que siempre será mayor o igual a uno) y se expresa como: Con las siguientes experiencias observaremos este fenómeno en un medio transparente como lo es el agua. Lápiz quebrado Objetivo Comprobar el fenómeno de refracción de la luz cuando se coloca un lápiz en agua. Necesitamos… o Un vaso transparente. o Un lápiz. o Agua. ¿Cómo lo armamos? Llena el vaso con agua hasta la mitad. Introduce el lápiz de forma inclinada y observa frontalmente el vaso. El objeto parece quebrarse. [Escriba el contenido de la barra lateral. Una barra lateral es un complemento independiente del documento principal. Suele estar alineada a la izquierda o a la derecha de la página o situada en la parte superior o inferior de la misma. Utilice la ficha Herramientas de cuadro de texto para cambiar el formato del cuadro de texto de la barra lateral. Escriba el contenido de la barra lateral. Una barra lateral es un complemento independiente del documento principal. Suele estar alineada a la izquierda o a la derecha de la página o situada en la parte superior o inferior de la misma. Utilice la ficha Herramientas de cuadro de texto para cambiar el formato del cuadro de texto de la barra lateral.] ¿Sabías que…? La ubicación real de las estrellas y otros cuerpos celestes es diferente de la observada desde la Tierra, debido a la refracción de la luz de éstos en la atmósfera del planeta. ¿Qué sucede? Los rayos luminosos que van desde la porción de lápiz que se encuentra dentro del agua llegan hasta nuestros ojos se desvían o refractan. Esta desviación nos hace ver esa parte del lápiz en otra posición y no en la que se encuentra realmente. Los medios que atraviesa un rayo de luz en la experiencia son agua, vidrio y aire. Cada uno tiene diferentes índices de refracción, en este caso el vidrio tiene mayor índice que el agua y a su vez el agua mayor que el aire. Así, cuando la luz pasa de un medio más refractivo que otro (nagua naire) el haz se desvía. También… Puedes hacer una variante de esta experiencia con distintos objetos como una regla o un pitillo. Si colocas algunos de estos elementos verticalmente contra el agua, observarás como se ensanchan en vez de quebrarse. Esto se debe a la superficie curva del vasoque hace que la luz refractada llegue a nuestros ojos desde esa dirección dándonos la impresión de que el objeto es más ancho de lo que realmente es. Moneda flotante Objetivo Comprobar el fenómeno de refracción de la luz cuando se coloca una moneda en el agua y es observada en diferentes posiciones. ¿Sabías que…? El arco iris se forma debido a la refracción (cambio de dirección) que experimentan los rayos de luz al penetrar en las gotas de agua y al salir. En la primera refracción, la luz se descompone en los distintos colores, y cada uno se desvía diferente: El violeta es el más desviado y el rojo el que menos se dobla. Para poder observar el fenómeno es necesario tener el Sol a nuestras espaldas. Necesitamos… o Un recipiente transparente. o Una moneda. o Agua. ¿Cómo lo armamos? Coloca la moneda en la base del recipiente y llena el mismo con agua. Observa desde arriba, podrás ver la moneda sin dificultad en su posición inicial. Ahora, baja un poco la vista observaras la moneda en el fondo y otra flotando en la superficie. ¿Qué sucede? Inicialmente, al observar la moneda desde arriba, los rayos de luz procedentes de la misma llegan directamente a los ojos. Luego, al bajar la vista, el sistema cerebro-ojo forma la imagen en la intersección entre la propagación de los rayos que llegan al ojo y la vertical sobre la moneda y así la ves en una posición “más arriba”, llamada altura aparente. ¿Sabías que…? Debido a la refracción atmosférica, cuando el Sol está cerca del horizonte, parece que está más alto en el cielo. También… Puedes colocar la moneda debajo del recipiente con agua. Al mirar lateralmente (como en el caso anterior), la moneda desaparece ante nuestros ojos. Esto se debe a las sucesivas refracciones (del vidrio al agua y del agua al aire) que impiden que podamos ver los rayos reflejados en la moneda. Multiplicación de moneda Objetivo Comprobar el fenómeno de refracción de la luz al colocar una moneda en el agua a una cierta posición. Necesitamos… o Una caja de vidrio transparente. o Una moneda. o Agua. ¿Cómo lo armamos? Coloca la moneda en la base de la caja y llénala con agua. Observa la moneda frontalmente, en una de las esquinas de la caja. Verás varías imágenes del objeto. ¿Qué sucede? Al igual que con la moneda flotante, los rayos de luz se refractan y se forma una imagen del objeto más arriba de su posición inicial. Luego la moneda es reflejada en el agua y parece existir una tercera. Muñeco empequeñecido Objetivo Comprobar el fenómeno de refracción de la luz para dos objetos idénticos en medios diferentes. Necesitamos o Dos pequeñas vasijas iguales no transparentes. o Dos muñecos idénticos. o Agua. ¿Cómo lo armamos? Coloca en el centro de cada vasija los muñecos. Llena uno de los recipientes con agua y compara ambos. El muñeco sumergido parece más pequeño. ¿Qué sucede? Debido a la refracción de la luz los objetos sumergidos parecen estar aumentados y su distancia a la superficie parece ser menor. El agua actúa como una lupa. También… Podrás observar el mismo efecto cuando te vas a sumergir en una piscina, la profundidad parece ser menor o cuando ves a un pez en el agua, aparenta estar más cerca. Periscopio casero Objetivos Construir un periscopio casero. Observar el fenómeno de reflexión de la luz. Necesitamos… o Dos cartones de leche. o Dos espejos rectangulares de 8cm x 8cm. o Tijera. o Cinta adhesiva. o Lápiz. ¿Sabías que…? Un espejismo es una ilusión óptica a la cual se debe que los objetos lejanos aparecen reflejados en una superficie líquida que en realidad no existe. Un rayo luminoso, al pasar de un medio a otro de índice de refracción diferente, sufre un desvío; cuando ese rayo llega al ojo de un observador, éste lo ve venir no ya de su frente, sino del punto donde ha sido desviado. ¿Cómo lo armamos? Corta la tapa a los dos cartones de leche de tal modo que puedas encajarlos (introducir uno dentro de otro). Por el momento, déjalos separados. Con un lápiz dibuja una ventana de aproximadamente 12 x 10 cm en una de las caras de cada uno de los cartones de leche (cerca de la base que no cortaste) y recórtala. Traza una línea con lápiz y regla de cada lado del cartón que forme un ángulo de 45° con la base del mismo. Repite este paso en para el otro cartón. Luego corta sobre la línea que dibujaste. Por esa ranura debes introducir el espejo. Haz lo mismo en el otro cartón, teniendo cuidado en cómo ubicar los espejos. Coloca un cartón dentro del otro (sólo un poco). Asegúralos con cinta adhesiva para que queden bien firmes. Vea la siguiente figura: Las ventanas del instrumento deben quedar en direcciones distintas, una para nuestro ojo y otra que apunte a la dirección que queremos observar. La siguiente figura muestra lo anterior: ¿Qué sucede? El periscopio es un instrumento óptico para observar desde una posición oculta o protegida. El más simple funciona con dos espejos, como el que construimos. En el espejo del extremo superior se reflejarán los objetos ubicados en el área fuera de nuestra visión que queremos observar. Al incidir sobre la superficie del espejo a 45º, siguiendo la segunda ley de reflexión de la [Escriba el contenido de la barra lateral. Una barra lateral es un complemento independiente del documento principal. Suele estar alineada a la izquierda o a la derecha de la página o situada en la parte superior o inferior de la misma. Utilice la ficha Herramientas de cuadro de texto para cambiar el formato del cuadro de texto de la barra lateral. Escriba el contenido de la barra lateral. Una barra lateral es un complemento independiente del documento principal. Suele estar alineada a la izquierda o a la derecha de la página o situada en la parte superior o inferior de la misma. Utilice la ficha Herramientas de cuadro de texto para cambiar el formato del cuadro de texto de la barra lateral.] [Escriba el contenido de la barra lateral. Una barra lateral es un complemento independiente del documento principal. Suele estar alineada a la izquierda o a la derecha de la página o situada en la parte superior o inferior de la misma. Utilice la ficha Herramientas de cuadro de texto para cambiar el formato del cuadro de texto de la barra lateral. Escriba el contenido de la barra lateral. Una barra lateral es un complemento independiente del documento principal. Suele estar alineada a la izquierda o a la derecha de la página o situada en la parte superior o inferior de la misma. Utilice la ficha Herramientas de cuadro de texto para cambiar el formato del cuadro de texto de la barra lateral.] ¿Sabías que…? Una de las muchas bellezas que nos ofrece la física es la tonalidad rojiza de un eclipse total de Luna, que es el resultado de la refracción en los crepúsculos y auroras que rodean por completo la Tierra. luz, se reflejarán a 45º también, por lo que los rayos incidentes y los rayos reflejados formarán entre sí un ángulo recto. Esto permite que los rayos reflejados en el espejo superior acompañen la trayectoria del tubo y se dirijan verticalmente hacia abajo, aunque proyectando la imagen invertida. Estos rayos reflejados, a su vez, incidirán sobre el espejo ubicado en el extremo inferior y el fenómeno es el mismo: al incidir a 45º se reflejan a 45º formando un ángulo de 90º y acompañando la trayectoria del tubo, volviendoa invertir la imagen, con lo que los rayos reflejados finalmente y percibidos por el ojo que mira corresponden exactamente a la imagen original. Para saber más… En la Web - PHYSTORMING: http://matrix.fis.ucm.es/phystorm/experimento s-en-casa/99-expopticasubcategory/102-opticaa rticle - Laboratorio de Demostraciones de Física: http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/labdemfi /optica/html/optica.html - Laboratorios Virtuales en Ciencia y Tecnología. Universidad de Córdoba: http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/39/ - Mis Actividades de Primaria: http://www.la-educacion.com/2011/12/reflexio n-y-refraccion-de-la-luzbloque.html - Fundación CIENTEC: http://www.cientec.or.cr/ciencias/experimento s/optica.html Textos - F. Sears, M. Zemansky, H. Young y R. Freedman: Física 2005. REFLEXIÓN TOTAL INTERNA La reflexión y la refracción, como se ha dicho, son fenómenos que se presentan cuando ondas como las de la luz se dirigen hacia la frontera entre dos materiales diferentes. Si la luz se dirige de un material 1 con un índice de refracción determinado hacia un material 2 que tenga índice de refracción menor, puede darse la reflexión interna total, en la que no se observa luz dentro del medio 2. Este tipo de reflexión se da si el rayo de luz llega a la frontera entre los materiales formando ángulos de incidencia que son mayores o iguales a uno especial conocido como ángulo crítico. Con los siguientes experimentos pueden encontrarse el ángulo crítico y comprobarse la reflexión interna total, así como ilustrar el funcionamiento de la fibra óptica. Necesitamos… o Caja de Vidrio: Un Recipiente tipo “pecera” de cristal transparente. Medidas sugeridas: 45cm x x 16cm x 25 cm o Tapa de vidrio: Una lámina de cristal transparente con tres listones como bordes de seguridad (para prevenir el deslizamiento) que pueden ser del mismo material o plásticos. ¿Sabías que…? Si se coloca un tercer material, con índice de refracción mayor que el del material 2, lo suficientemente cerca de la frontera entre el primer y segundo medios, puede verse el rayo de luz continuar en ese último material. Esto se llama reflexión total interna fallida. ¿Sabías que…? La reflexión interna total se presenta también con ondas como las del sonido. ¿Sabías que…? La reflexión interna total puede observarse mientras nadamos si se abren los ojos bajo la superficie del agua en el ángulo adecuado. Cuando el líquido está en calma, su superficie asemeja la de un espejo. o Láser rojo o verde (tipo llavero). o Agua. o Leche líquida. o Humo. Ángulo crítico y Reflexión Total interna Objetivo Observar que para cierto ángulo de incidencia no se observa refracción, y reconocer dicho ángulo como el crítico. ¿Cómo lo armamos? Llena La caja de vidrio hasta la mitad de su altura con agua mezclada con una gotita de leche, en la otra mitad (que contiene aire) coloca un poco de humo. Ilumina el montaje con el láser como se muestra en el diagrama 1, variando la dirección de los rayos para encontrar reflexión total interna en el agua. ¿Sabías que…? Si se coloca un tercer material, con índice de refracción mayor que el del material 2, lo suficientemente cerca de la frontera entre el primer y segundo medios, puede verse el rayo de luz continuar en ese último material. Esto se llama reflexión total interna fallida. ¿Sabías que…? Cuando se sostiene un vaso de agua firmemente, las líneas de las huellas digitales son visibles debido a la reflexión interna total frustrada. La luz que viene del vidrio llega hasta los pliegues de piel de los dedos a travesando la delgada capa de aire que los separa del vaso. Así funcionan los capta huellas ópticos, que no requieren tinta. ¿Qué sucede? El aire tiene menor índice de refracción que el agua. La luz que se dirige al aire se refracta en éste y, a medida que se aumenta el ángulo de incidencia, el rayo se dobla más hacia la superficie del agua. Cuando el ángulo de incidencia es igual al ángulo crítico para la frontera agua/aire, el rayo refractado se ha doblado tanto que es paralelo a la superficie del líquido. Para ángulos mayores al crítico, todo el rayo es reflejado en el agua, presentándose la reflexión total interna. Reflexión total interna múltiple y fundamento de la fibra óptica Objetivo Observar la reflexión total interna múltiple y reconocerla como el principio base del funcionamiento de la fibra óptica. ¿Cómo lo armamos? Llena la caja de vidrio hasta la mitad de su altura con agua mezclada con una gotita de leche, en la otra mitad (que contiene aire) coloca un poco de humo. Ilumina el montaje con el láser como se muestra en el diagrama 1, en ángulos de incidencia mayores al crítico. ¿Qué sucede? El rayo que se refleja totalmente en el interior del agua se refleja también en el fondo de la pecera. Esto ocurre repetidas veces a lo largo de la extensión del recipiente, debido a que el ángulo de reflexión es igual al de incidencia. El resultado es una trayectoria luminosa en zigzag. ¿Sabías que…? El ángulo crítico depende de los materiales que forman la frontera donde la luz se refleja, y no del tipo de luz que interviene. ¿Sabías que…? Los diamantes son tallados de manera especial para que la luz que entra en ellos se refleje internamente repetidas veces. Esto da lugar a los característicos destellos de los diamantes, y es posible gracias al elevado índice de refracción de este material. Fundamento de la fibra óptica Necesitamos… o Barra de acrílico (plástico transparente). Medidas sugeridas: 50cmx10cmx7cm. o Láser rojo o verde (tipo llavero). ¿Cómo lo armamos? Dirige la luz del láser hacia uno de los extremos de la barra de acrílico de tal manera que se presente reflexión interna total múltiple (ver diagrama 2) ¿Qué sucede? El índice de refracción del acrílico es mayor que el del aire que rodea la barra, pudiendo ocurrir entonces la reflexión interna total. El rayo que se refleja totalmente repetidas veces en el interior, transmitiéndose así por la barra ¿Sabías que…? La reflexión interna total múltiple es el principio de funcionamiento de la fibra óptica, que son hebras muy delgadas y flexibles de vidrio o plástico usados para “transportar” luz de un lugar a otro. También… Para una variación de este experimento podemos usar lo siguiente o Botella de Plástico. o Agua. o Objeto punzante. o Recipiente o ponchera. ¿Cómo lo armamos? Llena la botella de plástico con el agua y tápala. Con el objeto punzante, abre un pequeño agujero en la botella. Dirige la luz del láser desde el extremo opuesto de la botella hacia el agujero por el que sale el agua (ver diagrama 3). ¿Sabías que…? La fibra óptica es usada ampliamente en comunicaciones, sensores, iluminación, exámenes endoscópicos. ¿Sabías que…? Gracias al recubrimiento especial que tienen los cables de fibra óptica, estos pueden transferir información entre dos puntos separados por largas distancias, con pérdidas mínimas de energía. ¿Qué sucede? En el caso del montaje opcional, se observa que el fenómeno también puede darse en medios de transmisión que no son rectos. Para saber más… En la web: - Blog de física para 4to: http://blogdefisicapara4to.blogspot.com/2010/ 08/reflexion-total-experimento-casero.html.- Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_óptica_usos_ de_la_fibra_óptica. - Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Reflexi%C3%B3n_i nterna_total. - Hyperphysics: http://hyperphysics.phy-str.gsu.edu/hbasees/ph yopt/totint.html. - Física para todos: http://graficas.explora.cl/otros/librofisica/fibras .html. - LABDEMFI ULA: http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/labdemfi /optica/html/optica.html. Textos: - P. Hewitt, “Conceptos de física”, 2008. - R. Serway, J. Jewett, “Física”, 2008. ¿Sabías que…? La fibra óptica es usada ampliamente en comunicaciones, sensores, iluminación, exámenes endoscópicos. LA DIFRACCIÓN DE LA LUZ Característico de las ondas, la difracción ocurre cuando ellas se encuentran con un obstáculo. Este fenómeno ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz visible y las ondas de radio, donde se crean muchos patrones de interferencia. Es decir, las ondas se superponen para formar una onda resultante de mayor o menor amplitud. Por ejemplo, como lograrás observar, la luz se propaga como ondas electromagnéticas, por lo tanto se formarán franjas tanto luminosas como oscuras respectivamente. Difracción de la luz en objetos circulares Objetivo Comprobar que la luz se comporta como onda, observando cómo se superponen los haces de luz que forman franjas circulares de luz. Necesitamos o Un Laser de mano (con lente cóncavo) o Una bola de anime de alrededor de 3cm de diámetro o Hilo o Papel blanco o Cinta transparente ¿Cómo lo armamos? Con la ayuda de un palillo, haz un pequeño orificio que atraviese completamente la pelota de anime. Luego inserta el hilo y asegúralo con la cinta transparente para que no se salga, cuida que no dañe significantemente la ¿Sabías que…? Los millones de escamas microscópicas en las alas de la mariposa Morpho Peleides actúan como una red de rendijas de reflexión. Cuando son vistas desde la dirección adecuada, las escamas reflejan principalmente el color azul. Esto podría ser un mecanismo de defensa de la mariposa ¿ http://es.wikipedia.org/wiki/Sonido http://es.wikipedia.org/wiki/Luz http://es.wikipedia.org/wiki/Onda_de_radio http://es.wikipedia.org/wiki/Onda_de_radio forma del anime. Cuélgalo en una mesa y apunta el laser sobre él. Por último, aleja o acerca la hoja blanca, hasta que logres ver un pequeño punto brillante en el centro de la sombra, como se muestra en la figura. Ahí podrás observar la difracción., nota que la abertura del laser siempre debe ser mayor al del diámetro de la bola de anime. ¿Qué sucede? Cuando la luz ilumina el obstáculo circular, por su naturaleza ondulatoria, se emite nuevas fuentes de luz en toda la circunferencia. La luz en cada uno de esos puntos se aproximan al centro de la sombra con la misma distancia recorrida, por lo que llegan en fase, es decir, las ondas de luz logran agruparse constructivamente, lo que causa que el punto luminoso se pueda apreciar. Este fenómeno se conoce como el punto de Arago y desempeñó un papel histórico a favor las teorías ondulatorias de la luz, ya que solo podía ser explicado si se considera la luz como onda en lugar de partículas que viajen en línea recta. Difracción de la luz entre rendijas ¿Sabías que…? Las especulaciones acerca de la naturaleza de la luz se remontan a la Antigüedad. Filósofos griegos como Pitágoras de Samos, Platón de Atenas y Empédocles de Akragas sostenían que la luz es de naturaleza corpuscular. Otros, como Aristóteles de Estagira, proponían la hipótesis de que la luz es debida a una actividad en determinado medio (naturaleza ondulatoria). http://es.wikipedia.org/wiki/Fase_%28onda%29 Objetivo Observar la difracción ocasionadas por rendijas tan levemente separadas, que se compara con las longitudes de onda de la luz visible. Necesitamos o Vela o Pluma ¿Cómo lo armamos? Con la ayuda de un adulto, prende una vela, y colócala encima de una mesa. Luego, observa la luz de la vela que pasa a través de las finas rendijas que tiene la pluma. Se observará un patrón de difracción; es decir, puntos pequeños que se alejan del centro de la vela como se aprecia en la siguiente figura. ¿Qué sucede? La separación entre cada ranura de la pluma es tan ¿Sabías que…? Se pueden conocer los elementos que componen las estrellas estudiando la difracción de la luz de éstas. ¿Sabías que…? Los colores en muchas de las plumas de un colibrí no son debidos al pigmento. Los colores refulgentes que con frecuencia aparecen en el pecho y la garganta del ave se deben a un efecto de interferencia causado por las estructuras de las plumas. pequeña como la longitudes de ondas de la luz de la emitida por la vela, haciendo que se construya un patrón de difracción visible a nuestros propios ojos. Es decir, se deben observar zonas oscuras y brillante, ya que se las ondas se cancelan o se construyen entre sí. Dado también al hecho de que la luz proviene de la misma fuente. También… Este experimento se puede mejorar haciendo que las aberturas entre rendijas sean aún más pequeñas, ya que las ondas de luz se debían más al pasar por obstáculos más pequeños. Esto hace que el patrón de difracción sea más pronunciado y se logre ver mejor. Difracción en una abertura circular Objetivo Ver como son los patrones de difracción de una abertura circular pequeña, y entender que la luz se comporta como onda. Necesitamos o Envase de plástico con tapa de aproximadamente 10 cm de diámetro o Soporte para el envase o Pintura o Un bobillo o Soporte de bombillo o Cable con enchufe ¿Cómo lo armamos? En el envase de plástico, abra un pequeño orificio en el centro de la tapa y otro en la parte posterior (para sacar el cable del soporte del bombillo). Luego dentro del mismo, con la ayuda de un adulto, monte el soporte ¿Sabías que…? La luz se forma por saltos de los electrones en los orbitales de los átomos. Los electrones poseen la extraña cualidad de moverse en determinados orbitales sin consumir energía, pero cuando caen a un orbital inferior de menor energía (más próximo al núcleo) emiten energía en forma de radiación. Algunos de esos saltos producen radiación visible que llamamos luz, radiación que ven nuestros ojos en su manifestación de color. del bombillo y conéctelo al tomo de corriente, haciendo pasar el cable por su ranura posterior. Si es necesario pinte el envase de color opaco, de tal manera que solo se emita luz por la abertura circular. Por último, coloque el envase con el bombillo, en una mesa o soporte, de manera que la luz incida de frente sobre una superficie plana, como se muestra en la figura Al llevar el experimento a un cuarto oscuro, lograrás observar los patrones de interferencia circulares que se forma en la superficie. ¿Qué sucede? La luz no solo se comporta como partícula, sino también como onda. Al igual que las ondas que se forman cuando cae una piedra en un pozo de agua, cuando la luz pasa por una abertura tan pequeña, hacen que las ondas se superpongan y formen una onda resultante de mayor o menor amplitud. Por lo tanto, hace que se observen en la superficie zonas tanto luminosas y como oscuras. Composición de la luzLa luz blanca está compuesta por la unión de diferentes colores. Podemos verlo cuando la luz pasa a través de un elemento transparente, que separa los colores como un arco iris, llamado espectro. Es decir, la luz blanca es ¿Sabías que…? Dada la tradición griega en la cultura europea, Newton estableció que la luz blanca se descomponía en siete colores. Sin embargo, en realidad está formada por todas las longitudes de onda del espectro visible. la combinación de todos los colores y la negra es ausencia de ellos. El ojo humano tiene una capacidad limitada y no es capaz de ver luz de longitudes de onda mayores a la de la luz ultravioleta, ni menores a la de la luz infrarroja. Objetivo Comprobar que la luz blanca es la superposición de diferentes longitudes de onda y comprender la base del por qué se forma un arco iris. Necesitamos o Un pedazo de cartón circular de alrededor de 30cm de diámetro o Ventilador, o un cordel (para hacer girar el cartón) o Pinturas de agua o Una tijera ¿Cómo lo armamos? Abra 5cm el compás y dibuja un circulo sobre el cartón. Mantén la abertura del compás y haz seis marcas a iguales distancias a lo largo del borde del círculo. Marca el centro del círculo y con una regla traza líneas a través del círculo que pasen por el centro, de una marca a la otra. Esto dividirá al círculo en 6 partes iguales, ¿Sabías que…? Con ayuda de un prisma podemos analizar la luz blanca y los colores emitidos por los diferentes elementos. Podemos identificar y distinguir los elementos por los colores que emiten. Cada elemento tiene unos niveles energéticos permitidos por los que circulan los electrones. Los saltos entre estos niveles son los que dan los tipos de radiaciones -los colores- que lo identifican. Cada elemento tiene un espectro característico. como se muestra en la figura Ahora recorta el círculo. Extiende dos periódicos viejos sobre una mesa y pinta las porciones triangulares de izquierda a derecha en el siguiente orden: azul, verde, amarillo, anaranjado, rojo y violeta. Cuando la pintura esté seca, hazla girar! Una manera de lograrlo es unir al cartón a un motor, como el de un ventilador, como se muestra en la figura. La otra forma, más fácil y segura, consiste en hacer dos pequeños agujeros a 2cm del centro. Esos agujeros ¿Sabías que…? El ojo humano tienen dos tipos de células sensibles a la luz o fotoreceptores: los bastones y los conos. Estos últimos son los encargados de aportar la información de color. servirán para formar un lazo con el cordel. Centra el disco a la mitad del lazo y sujétalo con dos dedos de cada mano. Haz girar el disco para torcer el cordel y luego jala suavemente los lazos para que el disco empiece a rotar como se indica en la figura ¿Qué sucede? Cuando el disco gira rápidamente, los colores se combinan y lográndose ver el color blanco. Esto se debe a que la luz blanca es la combinación de las longitudes de onda de todos los colores que percibimos. Es decir, juntando todos los colores del arco iris podemos obtener la luz blanca nuevamente, proviene de la luz del sol. Nota que en este experimento la luz no llega a hacer totalmente blanca, debido a que falta agregarle los otros colores que conforman la luz blanca, que no están presentes en esta experiencia. Como además de una combinación inadecuada de los colores que conforman el disco. Al girar los colores rápidamente crea un efecto, hace parecer que los colores se superponen entre sí. En cambio al mezclar varias pinturas los colores se restan unos con otros. Por lo tanto, las combinaciones de los colores resultantes son diferentes. ¿Sabías que…? El ojo humano tiene una mayor sensibilidad a los colores que forman la terna RGB (rojo, verde y azul). Sin embargo la respuesta al color azul es una veinteava parte de la respuesta a los otros dos colores. Esta percepción es aprovechada en algunos sistemas de codificación de imágenes y videos, como el JPEG. También… Puedes ensayar con diferentes combinaciones de colores. Por ejemplo, con sólo dos colores, verde y rojo, obtendrás amarillo. El rojo y el azul producen el color morado. Para saber más… En la web - LABDEMFI ULA: http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/labdemfi/ optica/html/optica.html. Textos - R. Wood, “Fisica para niños: 49 experimentos sencillos de óptica”, 1991. - R. Serway, J. Jewett, “Física para Ciencias e Ingeniería”, 2008.
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