Movimiento on Dula to Rio

7/21/2019 Movimiento on Dula to Rio

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Elaborado por Prof. Gregorio Colmenarez, con fines didácticos para la enseñanza de la física / Febrero – 2011.

PRACTICA Nº 2

Estudio de la Teoría Ondulatoria de la luz, a través de los fenómenos de

Reflexión, Refracción e Interferencia.

OBJETIVO GENERAL.Efectuar mediciones de ángulos y longitudes en fenómenos que demuestren el

comportamiento ondulatorio de la luz.

Objetivos Específicos.

Determinar los ángulos de Reflexión y Refracción, a través de cálculos y

comprobaciones experimentales.

Determinar el índice de refracción de la luz (λ =638nm) en agua y alcohol.

Comprobar que la luz tiene comportamiento ondulatorio, a través del experimento

de doble rendija de Young.

I) Introducción:

De todos nuestros sentidos, el de la visión es el que más colabora a que conozcamos

el mundo que nos rodea y probablemente por ello, la Óptica es una ciencia muy antigua.

Filósofos griegos, como Platón y Aristóteles, ya se preocupaban de responder a preguntas

como: ¿por qué vemos un objeto?, ¿qué es la luz?... Platón, por ejemplo, suponía que

nuestros ojos emitían pequeñas partículas que al llegar a los objetos los hacían visibles.

Aristóteles, por su parte; consideraba la luz como un fluido inmaterial que se propagaba

entre el ojo y el objeto observado.

Sin embargo; con tales hipótesis, no es posible explicar un gran número de

fenómenos luminosos que se producen en la naturaleza, varios físicos notables, como

Newton, Huyghens, Young y Maxwell, trataron de modificarlas, proponiendo nuevos

conceptos acerca de su naturaleza.

De esta manera se originan dos modelos, (teorías), acerca del comportamiento de la luz; el

modelo Corpuscular de la luz; hoy en día se estudia mediante la óptica geométrica;considerando la luz como un conjunto de partículas, que viajan a una velocidad

determinada, y que pueden reflejarse y/o refractarse. y el modelo Ondulatorio de la luz;

estudiado a su vez por la óptica Ondulatoria: donde puede explicarse con mayor acertividad

los fenómenos ondulatorios de reflexión y refracción. Ambas teorías, relacionadas con la

naturaleza de la luz parecían igualmente válidas, y era difícil votar por una de ellas.




Pero a principios del siglo XIX, fue posible observar en la luz, el fenómeno de la

Interferencia, que es un fenómeno característico del movimiento ondulatorio; el hecho de

poder observarlo con haces luminosos resulta ser una evidencia favorable para el modelo

ondulatorio.

II) Teoría Relacionada.

La Física como ciencia experimental, establece leyes a partir de la observación de

fenómenos naturales y luego predice el resultado de nuevas experiencias. En esta

oportunidad, observaremos la luz a través de fenómenos como; Reflexión, Refracción e

Interferencia ya que la luz tiene comportamiento ondulatorio; y comprobar así las leyes

relacionadas a dichos fenómenos.

En medios densos existen cantidades enormes de átomos o moléculas vecinos, que

contribuyen por igual a una cantidad enorme de ondulaciones electromagnéticas

dispersadas. Estas ondulaciones se traslapan e interfieren en una forma que no sucede en un

medio tenue. Por lo que, cuanto más densa es la sustancia a través de la cual pasa la luz, la

dispersión lateral es menor.

Uno de los fenómenos más evidentes, observables es la Reflexión de la luz: cuandoun rayo de luz choca con la superficie de un material transparente, como una lámina de

vidrio, la onda se encuentra con un gran número de átomos próximos que de alguna

manera, la dispersarán ya que los átomos son miles de veces más pequeños que la onda. En

este orden de ideas; en la interfase entre los dos medios transparentes distintos (como el

aire y vidrio) que es una discontinuidad brusca, una parte de la luz siempre se dispersa

hacia atrás; a este fenómeno lo llamamos Reflexión

Leyes de la reflexión

1) El rayo incidente, la normal a la superficie reflejante en el punto de incidencia, y el

rayo reflejado, se hallan en un mismo plano.

2) El ángulo de incidencia es igual al rayo reflejado.( ĭ = ř )




Figura 1

Si observamos la figura 2, encontraremos que cuando el punto C, del segmento de

recta CD, llega a la interfase (Prisma), el punto A del láser ya ha recorrido el segmento de

recta AB, y se encuentra el punto B. Todo ello en el mismo tiempo.

De lo anteriormente observado se tiene:

AB = V2.∆tCD = V1.∆t

Para los ángulos de los triángulos separados por la interfase, (comparten la misma

hipotenusa) se puede extraer las fórmulas:

Senө1 = CD/H ; Senө2 = AB/H

Dividiendo ambas ecuaciones:Sen ө1 = CD/HSen ө2 AB/H

Nos queda; que:

Sen ө1 = CDSen ө2 AB

De esta misma manera recordemos que los segmentos AB, y CD son:

. . . . . . . . . . 1




Superposición. Fase 0º Desfasaje menor a 180º. Desfasaje de 180º

Patrón de Interferencia de Young

Figura 3

Figura 4

DIFRACCIÓN

Cuando una onda se encuentra con un obstáculo puede reflejarse o puede curvarsealrededor del obstáculo, dependiendo de su longitud de onda y del tamaño del obstáculo.Este doblamiento de las ondas alrededor del obstáculo es lo que se denominaDIFRACCIÓN.

INTERFERENCIA DE ONDAS.

Dependiendo de la fase de las ondas y de su amplitud, puede haber un aumento o unadisminución de la elongación de un punto, este fenómeno recibe el nombre de interferencia,la cual puede ser constructiva o destructiva.

Considerando el Principio de Huygens, el Principio de Superposición y los conceptos derayo, fase, líneas nodales y antinodales; se puede determinar el valor de longitud de la onda




de las ondas que interfieren. Para la determinación de la longitud de onda en un diagramade interferencia se utilizan las ecuaciones señaladas a continuación:

λ =Xn . d y L’

=λ

L (n − l ) L’’ λ’

Donde; λ = longitud de onda proyectadaXn = distancia entre el punto P y la línea central perpendicular a “d”.d = distancia entre los dos focos emisoresL = distancia entre el centro de la distancia entre los focos y el

Punto P considerado.

n = número de líneas nodales contadas a partir de la línea central.L’ = longitud real de objeto proyectado (alfiler).L’’ = longitud proyectada del objeto (alfiler) proyectadoλ = longitud real de la onda.

III) Pre – Laboratorio. (hacer antes de asistir a la sesión practica)

a) ¿Qué es una Onda?

b) A que se le llama ¿fenómeno vibratorio?

c) Existe relación entre fenómeno Vibratorio y Fenómeno Oscilatorio.

d) Enumere y defina los elementos de una Onda.

e) Cuáles son los tipos de Onda.

f) A que se le llama Interferencia de una Onda.

g) Defina Amplitud, Oscilación.

h) Realice un resumen acerca de las mediciones hechas a la velocidad de la luz, a lo

largo de la historia.

i) Defina Interferencia Constructiva e Interferencia Destructiva.

p




IV) Laboratorio:

Materiales:Los materiales señalados a continuación se utilizan en las actividades previstas en esta

sesión experimental.Cubeta de ondas CronómetroAgua TransportadorJarra o recipienteFuente de luzMotor pequeño de 1,5 voltios

Láminas de papel bond blancoRegla graduadaEstroboscopio manual

Fuente de corriente continua de 1,5voltios

Reóstato

Generador de pulsos rectosGenerador de pulsos circulares con dosfocos puntuales

Objetos circulares de diferentes diámetros

Procedimiento:

Vierta el agua contenida en la jarra en cada cubeta de ondas, hasta llenarlas a una altura de1 cm, cerciórese de su nivelación, midiendo con una regla la profundidad en las cuatroesquinas.Haga el montaje de los accesorios generadores de vibraciones.Coloque en el mesón de trabajo los materiales requeridos para la ejecución de laexperiencia.

ACTIVIDAD Nº 1: IDENTIFICAR LA FORMA DE UN FRENTE DE ONDAS.

Procedimiento.

Coloque el generador de pulsos rectos rasante a la superficie del agua. Encienda la fuenteluminosa.- Accione el conjunto generador de vibraciones y observe las ondas propagadas.- Identifique el frente de onda que se genera.- Identifique las regiones brillantes correspondientes a elevaciones de la masa líquida

y las regiones oscuras correspondientes a descensos de la misma.- Haga un diagrama de lo observado y señale en él: una cresta, un valle y la longitud

de onda.




ACTIVIDAD Nº 2: DETERMINAR LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE UNTREN DE ONDAS.

1. Procedimiento.

a) Coloque el generador de pulsos rectos rasante a la superficie del agua. Encienda lafuente luminosa.

b) Accione el conjunto generador de vibraciones y genere un tren de ondas periódicassuperficiales en el agua.

c) Utilice el estroboscopio manual para “fijar” las ondas y determine su frecuencia, la

cual viene dada por:f = f estroboscopio = (Nvueltas /t ) Nr

donde: Nvueltas / t = número de vueltas por segundo Nr = número de ranuras utilizadas.

d) Mida la distancia entre algunas crestas usando el estroboscopio y una regla

graduada y determine la longitud de onda λ usar d = 10 cm

d = n / λ λ = d / n

n = número de crestas.

e) Determine la velocidad de propagación de las ondas: v = λλλλ f

Actividad Nº 3: Refracción de la luz, usando la vista y los alfileres.

Materiales:

Anime, alfileres, caja traslucida, agua, alcohol, glicerina, papel polar, lápiz.

Procedimiento:

- Coloque el papel polar, sobre el anime y dibuje la normal en el papel. ( línea

perpendicular)

- Coloque la caja traslúcida sobre el papel polar cuyo plano de incidencia se ubique en

forma perpendicular a la normal.

- Coloque un alfiler en el medio 1 (aire) a un ángulo prefijado, según la tabla. (ө 1)




- Mire en dirección del alfiler hacia el punto de incidencia con la normal y coloque un

segundo alfiler en el medio 2 al final de la caja traslúcida en línea recta entre alfiler 1,

punto de incidencia y el segundo alfiler.

- Anote el resultado en la tabla de valores.

Figura 6

Tabla 1ө1 20º 30º 45º 60ºө2

1.a) Explique el fenómeno observado y mencione cual es la ley que lo rige.

1.b) Determine los ángulos de refracción usando la ley de Snell para los ángulos deincidencia usados en la actividad, y compare los cálculos con los resultados medidos en elexperimento.

Actividad Nº 4: Refracción usando el rayo láser y prismas.

Materiales:

Rayo láser, prisma rectangular o semicircular, papel polar.

Procedimiento:

- Coloque el papel polar, sobre una base en el mesón, y dibuje la normal en el papel.

- Coloque la cubeta de ondas de forma perpendicular a la normal dibujada en el papel

polar.

- Seleccione un ángulo de incidencia y coloque el haz de luz del láser según el ángulo

de incidencia previamente seleccionado.

Papel polar

Cubeta




- Marque el ángulo de salida del láser y anote el resultado (ángulo de refracción) en la

tabla de valores.

- Observe si existe reflexión; de ser así mida dicho ángulo. (Φ)

Tabla 2өi 30º 40º 55º 70º

өr

Φ

2.a) Determine los ángulos de refracción usando la ley de Snell para los ángulos de

incidencia usados en la actividad, y compare los cálculos con los resultados medidos en el

experimento.

Actividad Nº 5: Reflexión de la luz usando espejo.

Materiales:

Rayo láser, espejo plano, papel polar.

Procedimiento.

- Coloque el papel polar, sobre una base en el mesón, y dibuje la normal en el papel.- Coloque el espejo plano con la superficie en forma perpendicular a la normal del

papel polar.

- Seleccione un ángulo de incidencia y coloque el haz de luz del láser según el ángulo

determinado.

- Observe y mida el ángulo de reflexión, a través del papel polar. Anote los resultados

en la tabla.

Tabla 3

ө1 10º 30º 45º 70ºө2

3.a) Explique el fenómeno observado, usando la ley que lo rige.

3.b) Explique las características de un espejo plano.

3.c) Mencione; ¿Qué longitud mínima debe tener un espejo plano para que una persona

pueda observarse frente a él, de cuerpo entero?




V) Post Laboratorio:

1) Se produce un patrón de difracción en una pantalla a una distancia L = 2m de una

rendija de ancho a = 0,3mm. Si la longitud de la luz es de 500nm, determine:

a) Las posiciones angulares de los dos primeros mínimos de difracción. b) La anchura total del máximo central.

2)En un experimento de la doble rendija de Young, la pantalla de observación se encuentra

a 2m, si la separación de la rendija es de 1mm. Determine:

a) ¿Cuál es la posición angular del quinto máximo?

b) ¿Cuál es la separación entre dos franjas brillantes contiguas?

VI) Bibliografia:

Serway R. (2004) Física II. Editorial Mc Gran Gill. México.

Alvarenga B. y Máximo A. (1998). Física General. Editorial OXFORD. México.

Figueroa D. (2006). Ondas y Física Cuántica. Talleres tipográficos Miguel Angel García e

Hijo. Caracas – Venezuela.

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