Tema 5: La Luz - Presentation Notes PDF

TEMA 5 La luz  TEMA 5: La luz 5.1 Naturaleza de la luz 5.2 Radiaciones no ionizantes. 5.3 Aplicaciones.  TEMA 5: La luz 5.1 Naturaleza de la luz  TEMA 5: La luz ¿Qué es la luz? Podrías pensar que el mundo es solamente lo que puedes ver, pero esto no es la realid...

TEMA 5 La luz  TEMA 5: La luz 5.1 Naturaleza de la luz 5.2 Radiaciones no ionizantes. 5.3 Aplicaciones.  TEMA 5: La luz 5.1 Naturaleza de la luz  TEMA 5: La luz ¿Qué es la luz? Podrías pensar que el mundo es solamente lo que puedes ver, pero esto no es la realidad. La luz que vemos es solo una pequeña parte de toda la energía eléctrica y magnética que hay en el Universo. Teorías de la naturaleza de la luz: - Teoría Ondulatoria de la Luz (Huygens) - Teoría Corpuscular de la Luz (Isaac Newton)  TEMA 5: La luz Teoría corpuscular de la luz Siglo XVII por el físico inglés Isaac Newton La luz consiste en un flujo de pequeñísimas partículas o corpúsculos sin masa, emitidos por las fuentes luminosas, que se movía en línea recta a gran velocidad. Permite explicar: Estas partículas capaces de atravesar los cuerpos transparentes, lo que nos permite ver a través de ellos. Propagación rectilínea de la luz: la trayectoria de los rayos de luz es en línea recta Reflexión: choque de las partículas con la superficie de un objeto Isaac Newton  TEMA 5: La luz Teoría ondulatoria de la luz La teoría corpuscular no permite explicar el fenómeno de la difracción. Experimento de la doble rendija: Si la luz es un conjunto de partículas, tras atravesar una pared con dos rendijas, debería seguir su camino por las zonas abiertas detrás de cada rendija (izq.). Si se coloca al otro lado una pantalla se tendrían que observar en ella dos zonas iluminadas reproduciendo la forma de las rendijas. Lo que ocurre experimentalmente es una interferencia entre las ondas que que propagan por las dos rendijas (dcha.). Es imposible explicar esto asumiendo que las partículas viajan en línea recta. No ocurre Ocurre  TEMA 5: La luz Teoría ondulatoria de la luz Siglo XVII por el científico holandés Christiaan Huygens La luz emitida por una fuente estaba formada por ondas, que corresponden al movimiento específico que sigue la luz al propagarse a través del vacío en un medio insustancial e invisible llamado éter (cuya existencia se descartó a finales del XIX). Luz = perturbación ondulatoria del medio Christiaan Huygens  TEMA 5: La luz Teoría ondulatoria de la luz Permite explicar: Interferencia lumínica Interferencias: cuando las ondas interfieren entre sí, producen regiones de brillo máximo (interferencia constructiva) y regiones de máxima oscuridad (interferencia destructiva). Experimento de la doble rendija  TEMA 5: La luz Dualidad onda-partícula La Física Cuántica nos dice que la luz tiene doble naturaleza: ondulatoria y corpuscular Se comporta como ondas pudiendo producir interferencias y difracción como en el experimento de la doble rendija, pero intercambia energía de forma discreta en paquetes (partículas) llamadas fotones. La luz muestra propiedades tanto de las ondas como de las partículas  TEMA 5: La luz Dualidad onda-partícula La dualidad onda-partícula implica que la luz: En algunos experimentos muestra su carácter ondulatorio. En algunos experimentos muestra su carácter corpuscular. No existe experimento en el que se puedan observar ambas naturalezas a la vez. Analogía con una moneda: es una única pero distinta por ambas caras: yo sólo la puedo ver por un lado o por el otro (nunca por los dos a la vez) En general, se comporta como una onda cuando se propaga y como partícula cuando interfiere con la materia.  TEMA 5: La luz Ondas electromagnéticas Las ondas electromagnéticas son ondas transversales y están compuestas de un campo eléctrico y un campo magnético, perpendiculares entre sí, y perpendiculares a la dirección de propagación. - Viajan a la velocidad de la luz: c = 300000 km/s (en el vacío) - Se propagan a través del espacio sin necesidad de un medio material, ya que es una perturbación de dos campos físicos. - Como todas las ondas, transporta energía. Onda electromagnética interactiva  TEMA 5: La luz Ondas electromagnéticas - El campo eléctrico y el magnético están en fase - La intensidad de los campos eléctrico y magnético están relacionados mediante la expresión: Eléctrico / Magnético = c Donde c es la velocidad de propagación de la luz. La energía que transporta es proporcional a la frecuencia (e inversamente proporcional a la longitud de onda) de la radiación. A cada frecuencia de onda le corresponde una energía concreta, ya que E= k·f , y también una longitud de onda concreta ya que v = c = f·λ  TEMA 5: La luz Ondas electromagnéticas La energía de un fotón depende de su frecuencia (o de su longitud de onda): Longitud de onda larga Menor frecuencia Menor energía Misma velocidad de propagación Longitud de onda corta Mayor frecuencia Mayor energía  TEMA 5: La luz La propagación de la luz La luz se propaga en línea recta. Rayo de luz: línea recta imaginaria que representa la dirección y el sentido de la propagación de la luz. Es perpendicular al frente de onda definido por los campos eléctricos y magnéticos.  TEMA 5: La luz La propagación de la luz El flujo luminoso (Φ) es la potencia emitida en forma de radiación. Como potencia que es (energía/tiempo), podría medirse en vatios (w), pero en luminotecnia se utiliza la unidad lumen (lm). El flujo luminoso nos da idea de la cantidad de luz total que emite una fuente luminosa. La iluminación L de una superficie A se define como el flujo luminoso por unidad de área (Ф/A). Unidades: lm/m2 = lux. Es directamente proporcional a la intensidad I e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r: ϕ L= 2 r La cantidad de luz (energía total) que llega a cada una de las superficies S1, S2 y S3 de la figura, será la misma (la misma intensidad), pero su iluminación no, ya que las superficies cada vez son mayores.  TEMA 5: La luz Interacción de la luz con la materia  TEMA 5: La luz Interacción de la luz con la materia: Trasmisión  TEMA 5: La luz Interacción de la luz con la materia: Transmisión Índice de refracción (n): relaciona la velocidad de la luz en el vacío (c) con la velocidad de la luz en el medio (v). Es adimensional. Al aumentar la densidad del material, disminuye la velocidad de propagación de las ondas a través del materia y eso aumenta el índice de refracción. En medios diferentes, o al pasar de un medio a otro, la frecuencia de la luz no cambia (ésta solo depende del foco emisor). Lo que sí que varía es su velocidad.  TEMA 5: La luz Interacción de la luz con la materia: reflexión y refracción Cuando la luz incide sobre la superficie de separación de dos medios que poseen velocidades de propagación diferentes, parte de la energía luminosa se transmite (refracción) y parte se refleja (reflexión).  TEMA 5: La luz Interacción de la luz con la materia Refracción Es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda, cuando pasa de un medio a otro.  TEMA 5: La luz Interacción de la luz con la materia: refracción Refracción Sean dos medios con índices de refracción distintos, los ángulos de incidencia y refracción vienen relacionados por: Ley de Snell  TEMA 5: La luz Interacción de la luz con la materia: refracción  Refracción La dirección de propagación de la luz cambia al llegar a un medio con un índice de refracción diferente. Ahora bien, un mismo medio pero a diferentes temperaturas, tendrá diferentes densidades. Esas densidades diferentes se traducen en cambios en el índice de refracción. Esta es la causa de los espejismos:  TEMA 5: La luz Interacción de la luz con la materia Reflexión La reflexión se produce cuando la luz que ilumina un cuerpo rebota sobre su superficie, regresando al medio inicial Ángulo de incidencia es igual al ángulo reflejado  TEMA 5: La luz Interacción de la luz con la materia Dispersión (scattering) La dispersión de la luz es un fenómeno que se produce cuando un rayo de luz compuesta se refracta en algún medio (por ejemplo un prisma), quedando separados sus colores constituyentes. Luz blanca La causa de que se produzca la dispersión es que el índice de refracción disminuye cuando aumenta la longitud de onda, de modo que las longitudes de onda más largas (rojo) se desvían menos que las cortas (azul- violeta). Dependencia del índice de refracción del agua con la longitud de onda y la temperatura.  TEMA 5: La luz Interacción de la luz con la materia Dispersión (scattering)  TEMA 5: La luz Interacción de la luz con la materia Dispersión (scattering) ¿Porqué el cielo es azul?  TEMA 5: La luz Interacción de la luz con la materia Dispersión (scattering) La luz del Sol llega a la atmósfera de la Tierra y se dispersa en todas direcciones por los gases y las partículas que se encuentran en el aire. La luz azul y violeta interactúa más con la materia (tienen un índice de refracción mucho mayor), por lo que se dispersa mucho más que el resto de colores.  TEMA 5: La luz Interacción de la luz con la materia Dispersión (scattering) Rayo verde / Green Flash Uno de los efectos más espectaculares de la dispersión es el “rayo verde”: es decir, ver una imagen verde del Sol sobre el propio Sol.  TEMA 5: La luz Interacción de la luz con la materia Absorción La absorción consiste en que el material absorbe parte de la luz: transformándola en energía térmica (el cuerpo se calienta). Diferentes materiales absorben diferentes longitudes de onda, generando nuestra percepción del color: percibimos los colores no absorbidos → los reflejados o transmitidos. Así, objetos de color negro absorben todas o casi todas las longitudes de onda. Por tanto, se calientan más que objetos de color blanco, que reflejan casi Super-black todas las longitudes de onda.  TEMA 5: La luz Interacción de la luz con la materia Difracción La difracción ocurre cuando las ondas pasan a través de pequeñas aberturas, alrededor de obstáculos o por bordes afilados. La mayor difracción se produce solo cuando el tamaño del agujero o del obstáculo son parecidos a la longitud de onda de la onda incidente. Interferencia lumínica