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FÍSICA GENERAL Dr. Roberto Pedro Duarte Zamorano © 2010 Departamento de Física Universidad de Sonora
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FÍSICA GENERAL Dr. Roberto Pedro Duarte Zamorano
© 2010 Departamento de Física
Universidad de Sonora
TEMARIO
0. Presentación (1hr)
1. Mediciones y vectores (4hrs)
2. Equilibrio traslacional (4hrs)
3. Movimiento uniformemente acelerado (5hrs)
4. Trabajo, energía y potencia (4hrs)
5. Fluidos en reposo (5hrs)
6. Dinámica de fluidos (5hrs)
7. Termodinámica (10hrs)
8. Electricidad y magnetismo (12hrs)
9. Óptica (8hrs)
10. Física moderna (6hrs)
TEMARIO
9.- ÓPTICA. (8horas)
1. Ondas.
2. Teoría cuántica de la luz.
3. Velocidad de la luz.
4. Intensidad. Reflexión. Refracción.
5. Lentes.
6. Interferencia, difracción y polarización.
Tópico suplementario:
El ojo Humano.
ONDAS.
Antecedentes.
El trabajo de Maxwell (1831-1879), al
establecer las ecuaciones que gobiernan el
comportamiento de los campos, hasta ese
momento, inconexos: eléctrico y magnético,
predice la existencia de ondas electromagnéticas
que se propagan por el espacio a la rapidez de la
luz. Lo cual fue confirmado en 1887 por Heinrich
Hertz (1857-1894).
A nivel conceptual, Maxwell unificó los
conceptos de luz y campos eléctrico y magnético,
en lo que hoy conocemos como
electromagnetismo, al desarrollar la idea de que
la luz es una forma de radiación
electromagnética.
ONDAS.
Antecedentes.
Una onda es una perturbación que se
propaga en un medio y puede ser de
naturaleza muy diversa.
Se clasifican, principalmente, en dos
tipos:
Mecánicas; y
Electromagnéticas.
Ejemplos del primer tipo son las
ondas en el agua, las ondas en una
cuerda, las ondas sonoras, etc., mientras
que del segundo tipo lo son la luz visible,
las ondas de radio, los rayos X, etc
ONDAS.
Antecedentes.
Las ondas mecánicas requieren de
un medio material para que la
perturbación se propague: las moléculas
del agua, los átomos que constituyen la
cuerda, las moléculas del aire, etc.
En cambio, las ondas
electromagnéticas NO requiere de un
medio para propagarse, ya que se puede
dar en el vacío. Siendo esta una
propiedad fundamental que caracteriza
a las ondas electromagnéticas.
ONDAS.
Antecedentes.
La longitud de onda (l) es la
distancia mínima entre dos puntos
idénticos de una onda, como pueden
ser dos valles (o dos crestas)
consecutivas.
El periodo (T) es el tiempo requerido
para que dos puntos idénticos (como
pueden ser dos crestas o dos valles)
pasen por un punto dado.
La frecuencia (f) es el número de puntos idénticos (como pueden
ser las crestas) que pasan por un punto en una unidad de tiempo.
La amplitud (A) es el máximo desplazamiento que se tiene a
partir del eje de referencia (en la figura, el eje x).
ONDAS.
Ondas electromagnéticas.
Una onda electromagnética es generada por cargas eléctricas
oscilantes, y está compuesta por campos eléctricos y magnéticos
que oscilan en planos perpendiculares entre sí, y a su vez, ambos
planos perpendiculares a la dirección de propagación, por lo que
establecemos que las ondas electromagnéticas son de carácter
transversal.
ONDAS.
Propiedades de las ondas Electromagnéticas.
Las ondas electromagnéticas no requieren un medio material
para propagarse.
Pueden atravesar el espacio desplazándose en el vacío a una
velocidad aproximada de c = 300.000 km/s.
Todas las radiaciones del espectro electromagnético presentan
las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la
difracción y la interferencia.
Las longitudes de onda van desde billonésimas de metro hasta
muchos kilómetros. La longitud de onda (l) y la frecuencia (n)
de las ondas electromagnéticas, son importantes para
determinar su energía, su “visibilidad”, su poder de penetración
y otras características.
ONDAS.
El espectro electromagnético.
Los diversos tipos de ondas
electromagnéticas involucran un amplio
intervalo de frecuencias y longitudes de
onda, y no hay una división clara entre un
tipo de onda y el siguiente.
Este amplio rango se conoce como espectro
electromagnético e involucra a todas las
ondas producidas como resultante de la
presencia de cargas eléctricas aceleradas.
Los nombres dados a los tipos de onda son
sólo por conveniencia para describir la
región del espectro en la cual se
encuentran.
ONDAS.
El espectro electromagnético en función de su
longitud de onda.
ONDAS.
El espectro electromagnético y sus fuentes.
ONDAS.
El espectro electromagnético según sus
aplicaciones.
ONDAS.
El espectro electromagnético. Resumen.
ONDAS.
Luz Visible.
El ojo humano esta tiene la
capacidad de detectar una parte
del espectro electromagnético,
longitudes de onda de 380nm
(violeta) hasta los 780nm (rojo).
Los colores del espectro se
ordenan como en el arco iris
La luz blanca esta
compuesta de luz de todos los
colores.
TEORÍA CUÁNTICA DE LA LUZ.
Antecedentes.
La teoría corpuscular estudia la luz como si se tratase de un
torrente de partículas sin carga y sin masa llamadas fotones,
capaces de portar todas las formas de radiación electromagnética.
Esta interpretación resurgió debido a que, la luz, en sus
interacciones con la materia, intercambia energía sólo en
cantidades discretas (múltiplos de un valor mínimo) de energía
denominadas cuantos.
Este hecho es difícil de combinar con la idea de que la energía
de la luz se emita en forma de ondas, pero es fácilmente
visualizado en términos de corpúsculos de luz o fotones.
TEORÍA CUÁNTICA DE LA LUZ.
Antecedentes.
En física moderna, el fotón es la partícula elemental
responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno
electromagnético, tiene una masa invariante cero y viaja en el
vacío con una velocidad constante c.
El fotón presenta tanto propiedades corpusculares como
ondulatorias ("dualidad onda-corpúsculo"). Es decir, se comporta
como una onda en fenómenos como la refracción que tiene lugar
en una lente, o en la cancelación por interferencia destructiva de
ondas reflejadas; sin embargo, se comporta como una partícula
cuando interacciona con la materia para transferir una cantidad
fija de energía, que viene dada por la expresión.
E = hf
donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia.
TEORÍA CUÁNTICA DE LA LUZ.
Antecedentes.
Esto difiere de lo que ocurre con las ondas clásicas, que
pueden ganar o perder cantidades arbitrarias de energía.
En el SI de unidades, la constante de Planck h tiene un valor
de 6.626×10-34J.s, de tal forma que si f está en Hertz, la energía
estará en Joules.
Para la luz visible, la energía portada por un fotón es de
alrededor de 4×10–19 Joules; esta energía es suficiente para
excitar un ojo y dar lugar a la visión.
El concepto moderno de fotón, que fue desarrollado
gradualmente entre 1905 y 1917 por Albert Einstein, permitió
explicar observaciones experimentales que no encajaban con el
modelo ondulatorio clásico de la luz, como el efecto fotoeléctrico o
la radiación de cuerpo negro.
TEORÍA CUÁNTICA DE LA LUZ. EJEMPLOS.
VELOCIDAD DE LA LUZ.
La línea amarilla muestra el tiempo que tarda la luz en recorrer el espacio entre la Tierra y la Luna, alrededor de 1,29 segundos.
Actualmente el valor exacto aceptado para la velocidad de la
luz en el vacío es de 299’792,458m/s, el puede tomarse como
aproximado a 3x108m/s.
Antecedentes.
Se ha demostrado teórica y
experimentalmente que la luz tiene una
velocidad finita.
La primera medición con éxito fue
hecha por el astrónomo danés Ole Roemer
en 1676 y desde entonces numerosos
experimentos han mejorado la precisión con
la que se conoce el dato.
VELOCIDAD DE LA LUZ.
Antecedentes.
La velocidad de la luz al propagarse a través de la materia es
menor que a través del vacío y depende de las propiedades
dieléctricas del medio y de la energía de la luz.
La relación entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la
velocidad en un medio (v) se denomina índice de refracción (n) del
medio, tal que
Dado que la velocidad de la luz al atravesar un medio es menor
que c, se tiene que n siempre es mayor o igual a 1 (en el caso de
que el medio sea el vacío).
cn
v
VELOCIDAD DE LA LUZ.
Antecedentes.
Cuando la luz pasa de un medio material a otro, cambia
solo la longitud de onda y no su frecuencia.
INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN.
Antecedentes.
En el contexto de la óptica geométrica, la propagación de la
luz en un medio (o incluso el vacío) se da en términos de rayos
que viajan en línea recta a partir de una fuente luminosa.
Sin embargo, surgen algunas interrogantes:
¿cambia su dirección cuando incide sobre una superficie de un
medio cualquiera?
¿qué pasa cuando se propaga en un medio uniforme y pasa a
otro medio diferente?
La primera pregunta la resuelve la primera ley de Snell (o de
la reflexión), mientras que la segunda se resuelve con la segunda
ley de Snell (o de la refracción).
INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN.
Reflexión.
La reflexión es el cambio de dirección de un rayo o una onda
que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal
forma que regresa al medio inicial. Ejemplos comunes son la
reflexión de la luz en una superficie pulida, el sonido en una
pared (formando el eco), etc.
INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN.
Tipos de reflexión.
Dependiendo de la superficie en que se de la reflexión, esta
puede ser: especular o difusa
Reflexión Especular:
cuando la superficie es
lisa los rayos reflejados
viajan en direcciones
paralelas
Reflexión difusa: en cualquier superficie
áspera los rayos reflejados viajan en direcciones al azar
NOTA: se utiliza el termino de reflexión
como sinónimo de reflexión especular
INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN.
Tipos de reflexión.
INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN.
Ley de reflexión o Primera Ley de Snell.
Establece que el ángulo de reflexión es igual al ángulo
de incidencia.
Los ángulos de
incidencia q1 y de
reflexión q1’ se miden
a partir de la normal.
Normal: es la línea trazada en dirección perpendicular a la
superficie, en el punto donde hace contacto el rayo incidente.
INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN.
Refracción.
La refracción es el cambio
de dirección que experimenta
la luz al pasar de un medio
material a otro.
Sólo se produce si la
incidencia es oblicua con
relación a la superficie de
separación de los dos medios, y
si éstos tienen índices de
refracción distintos.
Se origina en el cambio de
velocidad de propagación de la
onda.
INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN.
Ley de refracción o Segunda Ley de Snell.
La relación entre la dirección en que se propagan las
ondas incidentes y las refractadas viene dada a través de la
Segunda Ley de Snell que establece que el cociente entre el
seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de
refracción es constante, es decir
Sen
Sen
i i
t t
v
v
q
q
q i
q r
(1)
(2)
N
S
2 1
r i
v v
q q
q i
q r
(1)
(2)
N
S
2 1
r i
v v
q q
INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN.
Ley de refracción o Segunda Ley de Snell.
1. Rayo incidente
2. Rayo reflejado
3. Rayo refractado
4. Rayo (3) reflejado
5. Rayo (4) refractado
INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN.
Ley de refracción o Segunda Ley de Snell.
2211 qq sennsenn
Las direcciones de incidencia, refracción y reflexión se encuentran en un mismo plano perpendicular a la superficie de separación
Si hacemos uso de la
definición de índice de refracción
(n), la Segunda Ley de Snell se
puede escribir como
INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN.
INTENSIDAD. REFLEXIÓN. REFRACCIÓN.
EJEMPLOS.
LENTES.
Antecedentes.
INTERFERENCIA, DIFRACCIÓN Y
POLARIZACIÓN.
Antecedentes.
36
El arco iris
Un fenómeno atmosférico donde se pone de manifiesto la dispersión de la luz es la formación del arco iris.
37
Rojo Naranj
a Amarillo Verd
e Azul Violeta
Dispersión en un prisma.
Dispersión en una gota de agua
38
Formación del arco iris visto por un observador parado y el sol detrás de él
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