MODELOS DE LA LUZ
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Comportamiento de la luz
Introducción
La luz es fundamental en la vida del hombre.
La óptica es la parte de la física que estudia la luz.
Naturaleza de la luz
Óptica geométrica y óptica física.
Propagación rectilínea de los rayos luminosos.
Historia de la óptica
Conocimiento antiguo de la propagación rectilínea de la luz.
Interés de filósofos chinos, griegos y árabes en la óptica.
Preguntas comunes
¿Qué es la luz?
¿A qué rapidez viaja?
¿Cómo se transmite?
¿Por qué vemos diferentes colores en objetos?
Importancia de la luz
Mayor cantidad de conocimientos proviene del sentido de la vista.
La luz es una forma de energía.
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Propiedades de la luz
Cuerpos luminosos e iluminados
La luz es emitida por fuentes de luz como el Sol.
Colores de la luz
Diversidad de colores en función de la luz.
Trayectoria rectilínea de la luz
Propagación en línea recta de los rayos luminosos.
Sombra y penumbra
Fenómenos relacionados con la interacción de la luz.
Óptica física
Explicación de fenómenos
Difracción, interferencia, polarización.
Importancia de las propiedades ondulatorias
Explicación de fenómenos no abordados por la óptica geométrica.
Desarrollo del libro
Despejar incógnitas sobre la luz.
Estudio de la propagación y fenómenos luminosos.
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Historia y cultura
Conocimiento antiguo
Propagación rectilínea de la luz en Mesopotamia y Egipto.
Interés de filósofos
Estudio de la geometría de los rayos luminosos.
Importancia de la luz
Agente para el funcionamiento del órgano de la vista.
Conclusión
La luz es esencial en la vida y el conocimiento humano.
La óptica abarca aspectos fundamentales de la luz y sus interacciones.
Nota
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Definiciones de la luz a lo largo de la historia:
Pitágoras y Aristóteles tenían ideas sobre la luz.
Los griegos especulaban sobre la luz hecha de filamentos.
Empédocles enseñaba que la luz se propagaba en forma de ondas.
La escuela platónica formuló leyes de la óptica geométrica.
Desarrollo de lentes y primeros instrumentos ópticos:
En la Edad Media se empezó a fabricar lentes.
En 1287, surgieron las primeras gafas en Europa.
Roger Bacon usó una lupa y predijo la invención del telescopio y el microscopio.
Zacharías Janssen construyó el primer microscopio de dos lentes en 1590.
Galileo Galilei creó el primer telescopio astronómico en 1609.
Corrientes científicas sobre la naturaleza de la luz:
Newton respaldó el modelo corpuscular de la luz.
Christian Huyghens lideró la teoría ondulatoria de la luz.
La teoría corpuscular explicaba la reflexión pero no la refracción.
Huyghens propuso la transmisión de la luz como ondas a través de un éter luminífero.
La teoría ondulatoria de Huyghens explicaba la reflexión, refracción y difracción de la luz.
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Teoría Ondulatoria de la Luz
En el siglo XVIII, se discutía la naturaleza ondulatoria de la luz.
Se cuestionaba si la luz se comportaba como ondas sonoras o en el agua.
El éter era el medio propuesto para la propagación de la luz.
Se debatía sobre las propiedades contradictorias del éter.
Euler y Fresnel aportaron argumentos a favor de ondas continuas y transversales.
Se estableció la naturaleza ondulatoria de la luz con experimentos de Fresnel y Young.
Teoría Electromagnética
James Maxwell formuló en 1866 que la luz es una vibración electromagnética.
Consideraba la luz como vibraciones de campos eléctricos y magnéticos.
Heinrich Hertz demostró la teoría de Maxwell en 1887.
Confirmó que las ondas electromagnéticas se propagaban a la velocidad de la luz.
Teoría Cuántica
Max Planck propuso en 1901 la hipótesis cuántica para explicar el efecto fotoeléctrico.
Postuló que la energía electromagnética se emite en cuantos llamados fotones.
La energía de los fotones es proporcional a la frecuencia de la radiación.
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Efecto Fotoeléctrico
Hertz observó que la chispa eléctrica saltaba más fácilmente bajo luz.
Este efecto desafiaba la explicación ondulatoria de la luz.
La intensidad de la luz aumenta la emisión de electrones en el efecto fotoeléctrico.
La frecuencia de la luz afecta la energía y rapidez de los electrones desprendidos.
Hipótesis Cuántica de Planck
Planck propuso que la energía electromagnética se emite en paquetes o fotones.
La energía de los fotones es proporcional a la frecuencia de la radiación.
La ecuación de Planck: E=h.f, donde h es la constante de Planck (6,625x10 J/Hz).
Conclusiones
Las teorías científicas evolucionan para explicar nuevos fenómenos.
La naturaleza ondulatoria y cuántica de la luz han sido hitos trascendentales en la ciencia.
La teoría electromagnética de Maxwell y Hertz revolucionó la comprensión de la luz.
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Albert Einstein amplió la idea de Planck sobre la energía de la luz.
Propuso que la energía de un haz de luz se concentra en fotones.
Explicó matemáticamente el efecto fotoeléctrico.
La teoría cuántica introdujo la idea de "corpúsculos de energía" y generó debates.
La luz se considera tanto onda como partícula, de naturaleza dual.
Teoría ondulatoria para la propagación de la luz.
Teoría corpuscular para la interacción de la luz con la materia.
La teoría cuántica no tiene la última palabra sobre el comportamiento de la luz.
Avances recientes y nuevas hipótesis generan debates entre científicos.
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La luz es una pequeña parte del espectro electromagnético.
Todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a la velocidad de la luz.
La luz es energía emitida por cargas eléctricas vibrantes en átomos.
La luz se propaga en forma de ondas electromagnéticas.
Expresión matemática que relaciona la rapidez de la onda, la longitud de onda y la frecuencia.
El sonido no puede viajar en el vacío porque es una onda mecánica, no electromagnética.
En la oscuridad de una noche sin luna, los objetos no son visibles debido a la falta de luz.
Nota
La luz se considera tanto onda como partícula, con la teoría cuántica generando debates sobre su naturaleza. Además, la luz es una pequeña parte del espectro electromagnético y se propaga como ondas electromagnéticas. La relación entre la rapidez de la onda, la longitud de onda y la frecuencia se expresa matemáticamente. Por otro lado, el sonido no puede viajar en el vacío debido a su naturaleza mecánica.
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Reflexión de la luz en los objetos:
Los objetos reflejan la luz de su superficie a nuestros ojos para que podamos verlos.
Algunos objetos emiten luz (cuerpos luminosos) como el Sol, una bombilla encendida, una vela.
Otros objetos reciben luz y la reflejan (cuerpos iluminados) como la Luna, las páginas de un libro, una silla.
Emisión de luz y radiaciones luminosas:
La emisión de luz es un fenómeno atómico.
La excitación de los átomos ocurre cuando absorben energía y liberan el excedente en forma de luz.
La emisión de luz en una bombilla incandescente se produce al transmitir energía eléctrica al filamento.
Tipos de radiación luminosa:
La incandescencia es una forma de radiación térmica que se produce al calentar un material a altas temperaturas.
La luminiscencia ocurre cuando los electrones de una sustancia absorben energía y emiten luz sin calentarse.
Las fuentes luminiscentes, como los tubos de neón y las lámparas fluorescentes, emiten luz sin calor y se denominan fuentes de luz fría.
Mecanismos de desexcitación de los electrones:
La fosforescencia persiste emitiendo luz después de suprimir la corriente eléctrica.
La fluorescencia se interrumpe al retirar la energía de excitación, con el átomo volviendo a su estado base a través de estados intermedios.
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Materiales fosforescentes:
Emiten luz por un tiempo después de la excitación.
Pueden permanecer en estado excitado por varias horas.
Clasificación de cuerpos según transparencia:
Transparentes: permiten ver a través de ellos.
Translúcidos: dejan pasar la luz sin distinguir objetos.
Opacos: no dejan pasar la luz.
Clasificación de cuerpos luminosos e iluminados:
Luminosos: poseen y emiten luz propia.
Iluminados: reciben y reflejan luz.
Diferencia entre fluorescencia y fosforescencia:
La fosforescencia persiste después de la excitación, mientras que la fluorescencia desaparece.
Clasificación de cuerpos luminosos e iluminados según características luminosas.
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Rapidez de la luz:
Antes se creía que la luz se propagaba instantáneamente.
Galileo intentó medir la rapidez de la luz en 1607.
Olaus Roemer demostró que la luz tenía rapidez finita.
Métodos de medición de la rapidez de la luz:
Galileo utilizó lámparas en torres separadas.
Roemer observó eclipses de satélites de Júpiter.
Fizeau mejoró el método de Galileo con una rueda dentada.
Descubrimientos sobre la rapidez de la luz:
La luz tarda 16 minutos en cruzar la órbita terrestre.
La determinación exacta de la rapidez de la luz es un logro importante en física experimental.
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Experimento de Fizeau
La luz viaja desde una fuente hasta un espejo M a través de una rueda dentada y un espejo semiplateado.
La rueda debe rotar para que la luz pueda llegar al observador.
La rapidez de la luz está relacionada con el periodo de revolución de la rueda dentada.
Fizeau determinó la rapidez de la luz dividiendo la distancia recorrida por la luz entre el tiempo empleado.
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Avances en la medición de la rapidez de la luz
Foucault y Michelson perfeccionaron el método de medición de la rapidez de la luz.
Michelson logró una precisión de 2,998x10^8 m/s para la rapidez de la luz en el aire.
La rapidez de la luz varía según el medio en el que se propague.
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Colores de la Luz
Los colores son ondas luminosas con diferentes energías expresadas en frecuencia o longitud de onda.
El color rojo corresponde a longitudes de onda más largas en el rango de la luz visible.
Newton demostró que la luz del Sol está compuesta por todos los colores del arco iris.
La luz blanca está compuesta por una mezcla de diferentes colores.
Los colores no son una propiedad del prisma, sino que la combinación de los siete colores da como resultado luz blanca.
Escaneado con CamScanner
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El blanco y el negro no son colores, sino combinaciones de colores y ausencia de luz respectivamente.
La percepción de un color en un objeto se debe a la luz que refleja.
La luz blanca incide en un objeto y los pigmentos absorben ciertas longitudes de onda, reflejando otras.
Cada color del espectro visible tiene una frecuencia y energía asociada.
El orden de los colores en el espectro visible va de rojo a violeta.
La luz cambia su rapidez y longitud de onda al pasar de un medio a otro, pero su frecuencia y energía se mantienen.
Ejemplo de determinar la frecuencia de la luz anaranjada con una longitud de onda dada.
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La luz se propaga en línea recta en medios transparentes y homogéneos.
Los rayos luminosos representan la dirección de propagación de la luz.
Una fuente de luz emite haces luminosos que forman un haz luminoso.
Los haces luminosos pueden ser divergentes, convergentes o paralelos.
Características del haz luminoso y su comportamiento al cruzarse con otros haces.
Ejemplo de utilizar una linterna para pintar líneas en una cancha de baloncesto en la oscuridad.
Explicación de sombra y penumbra.
La sombra es la oscuridad causada por la intercepción de los rayos de luz por un cuerpo opaco.
La penumbra es una zona de semioscuridad que rodea a la sombra.
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Sombra y penumbra:
Explicación de cómo se forma la sombra y la penumbra en un objeto opaco.
Si la fuente luminosa tiene tamaño apreciable, la sombra proyectada tendrá dos partes: una oscura y otra iluminada.
Ejemplo 12.8:
Cálculo del área de la sombra proyectada por una esfera en una pared.
Utilización de triángulos semejantes para determinar el radio de la sombra esférica.
Área de la sombra proyectada en la pared: 0,50 m².
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Eclipses:
Explicación de los eclipses solares y lunares.
Tipos de eclipses: total, anular y parcial.
Eclipse híbrido: combinación de eclipse total y anular.
Imposibilidad de un eclipse anular de Luna.
Tabla de eclipses en Latinoamérica:
Listado de eclipses solares y lunares hasta el año 2020.
Fechas y tipos de eclipses que podrán ser vistos en Latinoamérica.
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Intensidad Luminosa e Iluminación:
Distribución de la energía radiante del Sol en diferentes regiones del espectro.
Sensibilidad del ojo humano a las diferentes longitudes de onda.
Gráfica que muestra la sensibilidad del ojo humano a las longitudes de onda.
Tabla de eclipses en Latinoamérica:
Listado de eclipses solares y lunares hasta el año 2020 que podrán ser vistos en Latinoamérica.
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El ojo humano responde a cierto rango de longitudes de onda
Sensibilidad varía entre longitudes de onda
Importancia de la iluminación en un hogar
Depende de la intensidad de la fuente luminosa, distancia y brillo
Diferencia entre fotometría y radiometría
Fotometría: aplicación de radiometría a radiación visible
Radiometría: mediciones de ondas electromagnéticas
Unidad de flujo luminoso: lumen (lm)
Percepción de brillantez o cantidad de luz
Equivalente a 1/683 W de luz verde-amarilla (555 nm)
Relación entre intensidad luminosa y flujo transmitido
Incremento de intensidad luminosa aumenta brillo de superficie
Cálculo de flujo luminoso y lúmenes
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Ejemplo de cálculo de flujo luminoso
Fuente de 1,00 W de potencia de color rojo
Producción de respuesta óptica respecto a luz verde-amarilla
Definición de intensidad luminosa y flujo luminoso
Relación matemática entre ellos
Concepto de iluminación
Incidencia de rayos luminosos en una superficie
Cálculo de iluminación en función de flujo luminoso y área
Ejemplo de cálculo de flujo luminoso incidente sobre una pantalla
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Dependencia entre iluminación y distancia a la fuente
Directamente proporcional a intensidad luminosa
Inversamente proporcional al cuadrado de la distancia
Fórmula para calcular iluminación en función de intensidad luminosa y distancia
Ejemplo de cálculo de intensidad luminosa del Sol en la Tierra.
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La ecuación 12.5 es válida para rayos de luz perpendiculares a la superficie.
La iluminación de una superficie con un ángulo de incidencia A se calcula con la expresión E=1.00510 (12.6).
Ejemplo 12.12: Determinar la intensidad luminosa de una lámpara desconocida.
Se igualan las iluminaciones de dos lámparas para encontrar la intensidad de la desconocida.
Se obtiene que la intensidad luminosa de la lámpara desconocida es 74 cd.
Se determina la expresión para el flujo total (fT) emitido por una fuente luminosa.
Se llega a la fórmula fT=4.1 (12.7) para el flujo total de iluminación.
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Se presenta un compendio de unidades utilizadas en fotometría.
Se mencionan unidades como Candela, lumen, lux, entre otras.
La eficiencia luminosa de una fuente se define como la relación entre la cantidad de luz emitida y la potencia consumida.
Ejemplo 12.13: Calcular el flujo total emitido por una fuente luminosa que ilumina una mesa a 5,0 m.
Ejemplo 12.14: Calcular la eficiencia luminosa de bombillos incandescentes y fluorescentes.
Se compara la eficiencia luminosa de bombillos con igual intensidad luminosa pero diferente potencia.