Light and its Nature PDF

3 Lección La luz y su naturaleza Para comenzar En el siguiente cómic se presenta una recreación de cómo pudieron surgir los modelos explicativos de la luz. Cerca del año 1660, Christian Huygens comenzó a estudiar la luz. ¿Cuál será la naturaleza de la luz? ¿Quizás la luz se propaga como un frent...

3 Lección La luz y su naturaleza Para comenzar En el siguiente cómic se presenta una recreación de cómo pudieron surgir los modelos explicativos de la luz. Cerca del año 1660, Christian Huygens comenzó a estudiar la luz. ¿Cuál será la naturaleza de la luz? ¿Quizás la luz se propaga como un frente de ondas? ¿De qué estará hecha la luz? ¿La luz se moverá en línea recta como pequeñas esferas? …también se refleja. 36 Simultáneamente, Isaac Newton hizo lo mismo. ¿Se reflejará de esta manera? Unidad 2: ¿Cómo se relacionan las ondas con la luz? U2_L3_Txt_Fis_1M_2M.indd 36 26-05-21 16:28 Unidad La luz cambia de dirección al ingresar al agua. ¡Lo tengo!, la luz es una onda. Al poner un obstáculo en el camino de las esferas, se genera una “zona de sombra”, similar a lo que sucede con la luz. 2 ¡Lo tengo!, la luz son partículas a las que llamaré corpúsculos. • ¿Qué otros científicos sabes que aportaron en el conocimiento de la luz? • ¿Qué importancia le asignas a la investigación en ciencias? En el cómic se muestra que desde mediados del siglo XVII, Huygens y Newton propusieron modelos explicativos de la luz. Huygens planteó el modelo ondulatorio y Newton el corpuscular (ambos modelos eran parcialmente ciertos). Hoy sabemos que la luz puede ser entendida como una onda electromagnética, por lo que Huygens acertó con su hipótesis. Sin embargo, la luz también puede ser considerada como por partículas, llamadas fotones, por lo que, en parte, Newton también tuvo la razón. Por ello, el modelo que actualmente explica la luz se llama onda-partícula o modelo dual. Onda Partícula (fotón) ½½ En el modelo dual, la luz puede ser entendida como ondas y partículas. Física 1.º medio U2_L3_Txt_Fis_1M_2M.indd 37 37 26-05-21 16:28 Lección 3 ¿De qué manera se propaga la luz? Actividad Materiales: tres trozos iguales de cartón con una ranura, cartulina blanca, una linterna, plasticina y cuatro trozos iguales de madera. Ajusten los trozos de cartón hasta que puedan observar la luz en la pantalla. ¿En qué disposición quedaron los cartones? ¿Qué forma se proyectó en la pantalla? Seguramente, en la actividad pudiste inferir que la luz se propaga en línea recta. Una evidencia importante de la propagación rectilínea de la luz, es la formación de sombras, tal como veremos a continuación. La forma de la sombra es de igual silueta que la del objeto. Esto ocurre debido a que la luz viaja en línea recta. Penumbra Sombra Cuando el tamaño de la fuente de luz es similar al objeto, se genera una zona de sombra (más oscura) y una de penumbra (que varía de oscura a tenue). Si la fuente de luz es pequeña en relación con el objeto, o si la distancia entre ambos es mucha, la sombra proyectada es nítida. 38 Unidad 2: ¿Cómo se relacionan las ondas con la luz? U2_L3_Txt_Fis_1M_2M.indd 38 26-05-21 16:28 Unidad ¿Con qué rapidez se mueve la luz? ½½ Cerca del año 1600, el astrónomo Johannes Kepler pensaba que la rapidez de la luz era infinita. ½½ En 1675, el astrónomo Christensen Roemer midió la rapidez de la luz observando un satélite de Júpiter en dos posiciones diferentes. Su estimación fue de 2,2 · 108 m/s. Hoy la rapidez de la luz ha sido definida como 299 792 458 m/s y es considerada como una de las más importantes constantes universales. 2 ½½ Tiempo después, en el año 1640, Galileo Galilei intentó medir la rapidez de la luz observando una fuente luminosa a lo lejos. Sin embargo, no pudo hacerlo. ½½ Alrededor de 1850, el físico francés Armand Fizeau desarrolló un sistema de espejos y una rueda dentada para medir la rapidez de la luz. Su estimación fue de 3,1 · 108 m/s.  Roemer observó a Ío, un satélite natural de Júpiter en dos posiciones distintas. Esto le permitió estimar la rapidez de la luz. Actividad Investiguen en detalle uno de los experimentos realizados para medir la rapidez de la luz y expónganlo a sus compañeros. Física 1.º medio U2_L3_Txt_Fis_1M_2M.indd 39 39 26-05-21 16:28 Lección 3 ¿Cómo se manifiestan las propiedades ondulatorias de la luz? Actividad Materiales: un puntero láser, un espejo, un trasportador, una hoja de papel, lápiz y regla. Deben tener precuación con el puntero láser y nunca apuntarlo a los ojos. Realicen el montaje de la imagen. Luego, midan y registren el ángulo con que se refleja el haz. ¿Qué infieren de la reflexión de la luz? Reflexión Cuando una onda lumínica incide en cierto ángulo sobre el límite que separa dos medios, es reflejada en el mismo ángulo respecto de la normal. Refracción � 40 Debido a la refracción, la imagen del pez parece distorsionarse en el cambio del aire al agua. Si una onda lumínica pasa de un medio a otro que posee diferente densidad, experimenta un cambio en su velocidad y, en consecuencia, en su dirección. Este fenómeno es la refracción. Es importante señalar que cada vez que se produce refracción, también hay reflexión de la luz. Unidad 2: ¿Como se relacionan las ondas con la luz? U2_L3_Txt_Fis_1M_2M.indd 40 26-05-21 16:28 Unidad 2 F1P041 Difracción Si un haz de luz atraviesa una ranura muy fina, puede propagarse en múltiples direcciones, convirtiéndose en un nuevo foco emisor. Este fenómeno es la difracción (ver esquema). Interferencia Si un haz de luz atraviesa una doble ranura, se pueden generar dos nuevos focos de luz, cuyas ondas se interfieren, produciendo un patrón característico.  Los colores que se forman en una pompa de jabón se producen debido a que los haces de luz que se reflejan en la superficie interna y externa de la burbuja se interfieren entre sí. Actividad ¿De qué forma pueden demostrar experimentalmente la difracción e interferencia de la luz? Investiguen y expongan un experimento. Física 1.º medio U2_L3_Txt_Fis_1M_2M.indd 41 41 26-05-21 16:28 ¿La luz experimenta el efecto Doppler? Como la luz es una onda, también experimenta el efecto Doppler. Si la fuente luminosa se aleja de un observador, la frecuencia percibida será menor, por lo que se ve un color cercano al rojo. Cuando una fuente luminosa se mueve hacia un observador, la frecuencia percibida es mayor, por lo que se ve un color cercano al azul. Sentido del movimiento de la fuente. El efecto Doppler y el conocimiento del universo Dicha luz es analizada por un espectroscopio. La luz procedente de objetos lejanos es captada por un telescopio. ½½ Si el espectro de la luz está desplazado al azul, el objeto se acerca. ½½ Si el espectro de la luz está desplazado al rojo, el objeto se aleja. Dado que la luz procedente de la mayoría de las galaxias está desplazada al rojo, entonces el universo se expande. 42 Unidad 2: ¿Como se relacionan las ondas con la luz? U2_L3_Txt_Fis_1M_2M.indd 42 26-05-21 16:28 Unidad Investigación paso a paso 2 ¿De qué forma cambia la luz al pasar de un medio a otro? Paso 1 Planteo una hipótesis En relación con la pregunta formulada, propongan una hipótesis. Paso 2 Planifico y ejecuto una investigación Consigan un puntero láser, un vaso con agua, dos transportadores y un poco de leche. Agreguen un par de gotas de leche al agua.  La tonalidad del agua se ve así (verde), por que la luz del láser es de ese color. Apunten la luz del láser al agua y observen tanto la luz refractada como la reflejada. Ahora, con los transportadores, registren la variación en la luz al cambiar de medio. Paso 3 Organizo y analizo los resultados a. ¿De qué manera varió la trayectoria de la luz al cambiar de medio? b. ¿Cómo explicarían lo observado? Paso 4 Concluyo y comunico a. ¿Qué otros fenómenos cotidianos se explican con la refracción? b. Investiguen la ley física asociada al fenómeno y expónganla a sus compañeros junto con un video de su experimento. ¡Precaución! Nunca deben apuntar la luz del láser a los ojos. Física 1.º medio U2_L3_Txt_Fis_1M_2M.indd 43 43 26-05-21 16:28 4 Lección Aplicaciones de la luz Materiales: una fuente con agua, un espejo, una linterna y una hoja de papel. Para comenzar Dejen el espejo dentro del recipiente con agua, tal como se muestra en la fotografía. Iluminen el espejo (idealmente con luz de Sol) y vean el reflejo en la hoja. ¿Cómo explican lo observado? ¿Qué saben de la formación de colores? ¿Cuál es el origen de los colores? La luz blanca está formada por colores, tal como vieron en la actividad anterior. Para entender este fenómeno, analicemos la siguiente situación. Si un haz de luz atraviesa un prisma, este se refracta y descompone en colores. Esto se conoce como dispersión cromática. Un prisma es un sólido transparente y con forma de poliedro. ½½ Un arcoíris se produce por la dispersión cromática que experimenta la luz al reflejarse dentro de las gotas de agua. ½½ La luz dispersada siempre lo hace en el mismo patrón; rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta. 44 Unidad 2: ¿Cómo se relacionan las ondas con la luz? U2_L4_Txt_Fis_1M_2M.indd 44 26-05-21 16:30 Unidad Los colores en nuestro entorno 2 Luz blanca Luz monocromática roja Como la luz blanca está formada por los diferentes colores, es posible comprender por qué podemos distinguirlos. Cuando un haz de luz blanca ilumina un pimiento, este solo refleja el color rojo y absorbe los demás. ¿Qué sucederá si iluminamos el mismo pimentón con luz monocromática (por ejemplo un láser verde)? Investiguen. Algunas formas en las que se producen colores Por síntesis aditiva Rojo Verde Por filtros Por interferencia Azul Cuando se ilumina con luz de los colores primarios, es posible generar luz blanca y una gran gama de colores. Al interponer un filtro (superficie transparente de un determinado color) entre un objeto y un observador, es posible absorber ciertos colores y ver el objeto de un color diferente. Debido a la interferencia, en determinadas superficies, como la de un CD o una burbuja de jabón, se producen patrones de colores. Actividad Construyan el disco de la fotografía y háganlo girar rápidamente. Propongan una explicación a lo que se observa. F1P045 Física 1.º medio U2_L4_Txt_Fis_1M_2M.indd 45 45 26-05-21 16:30 Lección 4 ¿Cómo se generan las imágenes en los espejos? Un espejo es una superficie opaca y pulida, por lo que puede reflejar eficientemente la luz que incide sobre este. Por esta razón, podemos ver nuestra imagen en él. Para analizar la formación de imágenes, vean el esquema. Los rayos de luz que provienen del objeto son reflejados hacia el ojo y parecen proceder de un punto situado detrás del espejo. do Espejo plano Rayos incidentes Objeto di Proyección de los rayos reflejados Imagen Rayos reflejados Actividad  Si la superficie reflectora está horizontal, la imagen se invierte verticalmente. 46 La distancia entre el objeto y el espejo (di) es igual a la que hay entre la imagen y el espejo (do). Además, la imagen es de igual tamaño que el objeto y virtual, ya que parece venir de detrás del espejo. Escribe una palabra y ponla frente a un espejo. ¿Qué crees que significa lo que observas? ¿Cómo lo explicarías? Unidad 2: ¿Cómo se relacionan las ondas con la luz? U2_L4_Txt_Fis_1M_2M.indd 46 26-05-21 16:30 Unidad Espejos curvos 2 Actividad Pongan una cuchara frente a su rostro y observen. Ahora, inviertan la cuchara y observen. ¿Cómo piensan que ocurre la reflexión en cada cara de la cuchara? Los espejos curvos pueden ser cóncavos o convexos y tienen un foco (F), que es donde se cruzan los rayos de luz, y un centro de curvatura (C), que es el centro de la sección curva. Espejo cóncavo Espejo convexo F C F C Formación de imágenes en espejos curvos 1 1 2 2 F C C F ½½ La imagen resultante en un espejo cóncavo depende de la ubicación del objeto. Para conseguirla se trazan dos rayos: uno paralelo al eje óptico (1) y uno que pasa por el foco (2). ½½ De manera similar, para obtener la imagen en un espejo convexo, es necesario trazar los mismos rayos. ¿Qué sucederá al situar el objeto entre el foco y el espejo? Hagan el trazado de rayos. Aplicaciones de los espejos ½½ Espejo retrovisor. ½½ Espejo para circulación vial. ½½ Telescopio reflector. Física 1.º medio U2_L4_Txt_Fis_1M_2M.indd 47 47 26-05-21 16:30 Lección 4 ¿De qué manera se forman las imágenes en las lentes? Una lente es un instrumento hecho de material transparente limitado por dos superficies. En el esquema, se muestra una lente convergente. Al atravesar la lente, los rayos se refractan y se cruzan en el foco. Una serie de rayos paralelos inciden sobre una lente. F Formación de imágenes en lentes convergentes Las imágenes que resultan en una lente convergente dependen de la posición del objeto (ver esquemas). Objeto Imagen 1 1 2 2 Imagen F F F Objeto F Para determinar la imagen, se trazan dos rayos. 1: Paralelo al eje óptico, se refracta y pasa por el foco. 2: Pasa por el centro de la lente. Donde se cruzan los rayos, se dibuja la imagen. Actividad Empleando una lupa, traten de proyectar en una hoja la imagen de una lámpara de techo. ¿Qué características tiene la imagen? 48 Unidad 2: ¿Cómo se relacionan las ondas con la luz? U2_L4_Txt_Fis_1M_2M.indd 48 26-05-21 16:30 Unidad Una lente divergente es más delgada en el centro que en los bordes. Su foco se denomina virtual, ya que se sitúa donde se intersecan las proyecciones de los rayos refractados. Una serie de rayos paralelos incide sobre una lente. 2 Al atravesar la lente, los rayos refractados se dispersan, alejándose entre sí. F Formación de imagen en una lente divergente Las imágenes generadas en una lente divergente presentan siempre las mismas características: son virtuales, de menor tamaño y en la misma orientación que el objeto. Objeto 1 2 F Imagen Actividad Determinen las imágenes que se producen en cada caso empleando el trazado de rayos. F F' F F' F1P049 Física 1.º medio U2_L4_Txt_Fis_1M_2M.indd 49 49 26-05-21 16:30 Lección 4 Las lentes y sus aplicaciones A partir de la invención y el desarrollo de las lentes, otras áreas, como la astronomía y la biología, experimentaron un impulso significativo. A continuación, revisaremos algunas de las principales aplicaciones de las lentes. La lupa Al pasar a través de la lupa, los rayos de luz se refractan de manera similar a como se muestra en el esquema. Por esta razón, la imagen generada es mayor respecto del objeto. El telescopio refractor Un telescopio refractor simple emplea dos lentes, uno objetivo y otro ocular. La combinación de ambas produce una imagen virtual y más cerca de un objeto lejano. Lente ocular Lente objetivo ½½ En un telescopio refractor se forma una imagen pequeña (al interior de este) que luego es amplificada por el ocular. La imagen que se ve se encuentra invertida. 50 Unidad 2: ¿Cómo se relacionan las ondas con la luz? U2_L4_Txt_Fis_1M_2M.indd 50 26-05-21 16:30 Unidad El microscopio 2 Un microscopio funciona de manera similar a un telescopio refractor, ya que también emplea dos lentes. La diferencia es que la distancia focal del objetivo es menor que la del objetivo de un telescopio. Lente ocular Lente objetivo Objeto Imagen 1 Focular Fobjetivo Imagen 2 ½½ Al ubicar un objeto cerca de la lente objetivo, la imagen es amplificada, lo que permite visualizar detalles imposibles de ver a simple vista. Los binoculares o prismáticos Es un instrumento similar al telescopio, pero de menor alcance. Se compone de dos oculares, lo que produce un efecto de estereoscopía, es decir, genera la ilusión de profundidad. Para que la imagen se vea derecha, se emplean espejos y/o prismas. Lentes fotográficos Para mejorar el alcance de las cámaras fotográficas, se emplean las lentes objetivos. Para regular el enfoque, estos dispositivos pueden llegar a ser muy complejos, tal como se ve en la imagen. Física 1.º medio U2_L4_Txt_Fis_1M_2M.indd 51 51 26-05-21 16:30 Lección 4 ¿De qué manera percibimos la luz? El ojo es el órgano que nos permite captar la luz. Para saber cómo ocurre este proceso, analicemos el esquema. La luz que proviene del exterior se refracta al pasar por la córnea. Luego, la pupila cambia su diametro, porque el iris funciona como diafragma, según la cantidad de luz recibida. El cristalino es una lente que puede cambiar su curvatura. Por esto es posible enfocar los objetos. Cristalino Pupila Retina Fóvea Nervio óptico Córnea Punto ciego del ojo (disco óptico) Finalmente, la luz llega hasta la retina. Es ahí, donde es transformada por células especializadas (conos y bastones) en señales que viajan a través del nervio óptico hasta el cerebro. Tecnologías para corregir la visión Miopía ½½ La miopía se produce por una deformidad en el globo ocular. Producto de esto, la imagen se forma antes de la retina. Se corrige al emplear una lente divergente. 52 Hipermetropía ½½ En la hipermetropía la imagen se forma más allá de la retina. Se corrige al emplear una lente convergente. Unidad 2: ¿Cómo se relacionan las ondas con la luz? U2_L4_Txt_Fis_1M_2M.indd 52 26-05-21 16:30 Unidad ¿Qué rango de luz podemos percibir? 2 El ser humano puede percibir la luz visible, compuesta por todos los colores. Sin embargo, esta es una pequeña parte del espectro electromagnético. Las ondas de radio tienen longitudes de onda de 100 km – 1 m. Las ondas infrarrojas tienen longitudes de onda de 10-6 m a 10-3 m. Las microondas tienen longitudes de ondas entre 1 m y 1 mm. La luz visible tiene longitudes de onda de 700 nm a 400 nm. La radiación ultravioleta tiene longitudes de onda de 10-7 m a 10-8 m. Actividad Los rayos X tienen longitudes de onda de 10-9 m a 10-11 m. Los rayos gamma tienen longitudes de onda menores a 10-11 m. ¿Qué aplicaciones tienen las diferentes ondas del espectro? Investiga y comenta. Física 1.º medio U2_L4_Txt_Fis_1M_2M.indd 53 53 26-05-21 16:30