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Tema 2_Naturaleza de La Luz_2015_II
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30/08/2015 Luis Angelats Silva
NATURALEZA Y PROPAGACIN DE LA LUZ
UNIDAD: MECNICA DE FLUIDOS
Dr. Luis M. Angelats Silva
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
Escuela de Ingeniera DE MATERIALES
Departamento Acadmico de Fsica UNT
1. Sears-Zemansky-Freedman_Young, FISICA UNIVERSITARIA, Volumen I.
2. P. Tipler-G. Mosca, Fsica para la ciencia y la tecnologa, Vol I, 6ta Edic.
3. BURBANO; Fsica General, Editorial Tbar, S. L, 2003.
4. R. Serway J. Jewett, FISICA, Volumen I
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
1. LA NATURALEZA DE LA LUZ :
Isaac Newton (1642-1727):
...la luz consista en corrientes de partculas (llamadas
corpsculos) emitidas por las fuentes luminosas
James Clerk Maxwell (1873) y Heinrich Hertz (1887):
Demostraron que la luz es una onda electromagntica y cuya rapidez en el vaco es:
y
c = 2.99792x108 m/s 3 x 108 m/s
Cul es la conclusin?
La luz es una onda electromagntica.
Su propagacin puede describirse
mediante frente de ondas; la emisin o
absorcin, mediante corpsculos.
(comportamiento dual).
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30/08/2015 Luis Angelats Silva
La energa E, de una onda electromagntica est cuantizada: FOTN
c
hfhE
h (constante de Planck) = 6.63 x 10-34 J.s = 4.14 x 10-15 eV.s
Aplicaciones de la luz (espectro visible e infrarrojo):
Ejercicio 1:
El disco Blu-ray Disc (BD) hace uso de un rayo lser de color azul con una longitud de onda
de 405 nanmetros, a diferencia del lser rojo utilizado en lectores de DVD, que tiene una
longitud de onda de 650 nanmetros, (a) Calcule la frecuencia de cada lser si se propaga
en el vaco, (b) cul es de mayor energa? Rptas: (a) 7.41x1014; 4.62 x1014; (b) 3.07 eV,
1.19 eV.
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
Ondas, frente de ondas y rayos:
S1
Rayo
Frente de ondas esfricas
30/08/2015 Frente de ondas planas
Rayos
Una onda plana propagndose
a la derecha.
Principio de Huygens o construccin de Huygens:
Cada punto de un frente de onda primario sirve
como foco (o fuente) de ondas esfricas
secundarias que avanzan con una velocidad y
frecuencia igual a las de la onda primaria.
Frente de onda: lugar geomtrico de todos los puntos adyacentes en los cuales la fase
de vibracin de una cantidad fsica asociada con la onda es la misma
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
2. Reflexin y Refraccin:
Reflexin en superficies planas
Reflexin especular Reflexin difusa
Una superficie se comporta como una superficie suave o especular si las
variaciones de la superficie son mucho ms pequeas que la longitud de onda
incidente.
La reflexin es el cambio de direccin de un rayo o una onda que ocurre en la
superficie de separacin entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial
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Luis Angelats Silva
Formacin de imgenes por reflexin:
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
Leyes de la Reflexin y Refraccin:
a
b
b
a
nn
SenSen
Donde, n es el ndice de refraccin de un material ptico:
vc
n material elen luz la de rapidez vacoelenluzladerapidez
, (para el vaco, n = 1)
naSena = nbSenb
(Ley de la refraccin o ley de Snell)
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Luis Angelats Silva
Tres casos de Refraccin y Reflexin:
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
Ejemplos prcticos de fenmenos de reflexin y refraccin:
2. Aparicin de atardeceres Sol achatado?:
1. Regla quebrada:
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
ndice de refraccin y aspectos ondulatorios de la luz:
o (en el vaco, o aire)
Considerando: f = v/ y fo (vaco) = fn(medio), se
demuestra que:
no
vc
:
nvc
n
o
no
n
Ejemplo: Si = 620 nm en el aire, cul es la
longitud de onda y la velocidad de la luz en el
diamante (n = 2.42).
Rptas: 256.2 nm, 1.24x108 m/s
na , ndice de refraccin del medio a,
nb , ndice de refraccin del medio b,
y a , en el medio a,
b , en el medio b,
En general, para dos medios diferentes, con ndices de refraccin na y nb y fa = fb:
b
b
a
a vv
a
b
b
a
nn
Ejercicio 2. Un lser en un CD genera luz que tiene una longitud de onda de 780 nm en aire.
(a) Cul es la longitud de onda de esta luz en el plstico? (b) Encuentre la velocidad de esta
luz una vez que ingresa al plstico de un CD (n = 1.55). Rpta. 503.2 nm, 1.935x108 m/s,
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Luis Angelats Silva
Solucin:
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
Solucin:
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Luis Angelats Silva
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
Ejercicio 3:
Dos espejos forman un ngulo de 120 entre s,
como se ve en la figura. Un rayo incide sobre el
espejo M1 a un ngulo de 65 con la normal.
Demostrar que la direccin del rayo despus de que
ste se refleja desde el espejo M2 es de 55
?
Ejercicio 4: Anlisis de la geometra de un ngulo arbitrario entre los espejos
Demostrar que el cambio de direccin
del rayo de luz es el ngulo dado por:
2360
(a) = 120?
(b) = 90?
Qu pasa si :
Fenmeno de retrorreflexin o
reflector de vrtice
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
Aplicaciones del fenmeno de retrorreflexin:
Bandas o lminas
retrorreflectivas
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
Un haz de luz pasa desde el medio 1 al medio 2, siendo ste ltimo una gruesa lmina de
material cuyo ndice de refraccin es n2 (Fig.). (a) Demuestre que el haz que emerge en
el medio 1 desde el otro lado es paralelo al haz incidente, (b) Si el grosor t de la lmina
se duplica, la distancia d que sobresale tambin se duplica?
Ejercicio 5:
12
12 senn
nsen
21
23 senn
nsen
112
1
1
23 sensenn
nnn
sen
1.
2.
3.
Por consiguiente, 3 = 1, y la placa no altera la direccin del haz. Sin embargo, esto hace que el
haz se desplace paralelo a s mismo Cunto se desplaza?.
Rpta. Demostrar que si t es el espesor del material refractor, entonces: )(cos 212
sentd
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crit = 24 30/08/2015
Luis Angelats Silva
REFLEXIN INTERNA TOTAL:
La reflexin total interna se presenta slo cuando un
rayo incide en la interfase con un segundo material
cuyo ndice de refraccin es menor que el del
material en el cual se desplaza el rayo (nb < na).
bbcrta nSennSenn 90
De la Fig., cuando a = crit , b = 90:
a
bcrt n
nSen (para nb < na)
Ej. Interfase aire/diamante: aire (nb = 1)/diamante (na = 2.42) = 0.413
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
Una vista desde el ojo de un pez hacia la
superficie del agua (n = 1.33): o
C sen 84875201 .).(
Aplicaciones de la reflexin interna total::
Prismas en binoculares
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
Lectura: Fibras pticas:
Ncleo de vidrio
o plstico
Envoltura de menor
ndice de refraccin
que el vidrio o plstico
Protector
Ejercicio 6: Fibra ptica
Un haz laser incide en un extremo de un tubo de poliestireno (n = 1.48). Determine el nmero
de reflexiones internas del haz antes de que emerja del extremo opuesto del tubo. Rpta. 81.5
82 reflexiones.
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
DISPERSIN:
Una propiedad importante del ndice de refraccin n es que, para un material determinado, el
ndice de refraccin vara con la longitud de onda de la luz que pase por el material.
Comportamiento llamado DISPERSIN.
Luz
Normal
(ngulo de desviacin)
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
Los efectos combinados de la dispersin, refraccin y reflexin en la formacin del
arco iris:
Analice donde se presentan estos efectos en la gota esfrica de lluvia
Luz solar
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
Dispersin de la luz por: Rutilo
sinttico (joya sinttica)
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Luis Angelats Silva
30/08/2015
Ejercicio 6: Medicin del ndice de refraccin (n) con un prisma
Usando la geometra mostrada en la figura, demostrar
que:
2/2
min
Sen
Senn
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30/08/2015
Luis Angelats Silva
Tarea: Fibras pticas - Aplicaciones
Revisar: Fundamento fsico, Descripcin, apertura
numrica, tipos de fibras, materiales usados.
Apertura numrica
1. Mono-modo
2. Multi-modo