Transcript Ondas
CUPES L
Ciencias experimentales
Ondas
Recopiló: M.C. Macaria Hernández Chávez
La
Óptica
o ciencia que estudia la luz, es una de las ramas más antiguas de la física.
La óptica geométrica se basa en el concepto de rayo luminoso como trayectoria que siguen las partículas materiales emitidas por los cuerpos luminosos sin preocuparse de estudiar cual es la naturaleza de la luz.
La óptica física estudia los fenómenos luminosos e investiga cual es la naturaleza de la luz.
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LA NATURALEZA DE LA LUZ
······ ···· ·· ····· · ·· ···· ·· ··· · ·
Durante siglos se creyó que una fuente luminosa la luz consistía en un chorro de partículas emitidas por Los demás cuerpos se veían debido a que los golpean , y al llegar estas se reflejan algunos de los corpúsculos que partículas al ojo, se producía la sensación de ver. Esto explicaba la reflexión de la luz en un espejo 3
EL MODELO CORPUSCULAR DE NEWTON
Isaac Newton
publica en 1704 su
óptica
y asienta el modelo corpuscular de la luz sobre las ideas de Descartes.
Supone que la luz está formada por corpúsculos materiales que son lanzados a gran velocidad por los cuerpos emisores de luz.
V y Aire Agua V x V y V y V x V x Este modelo explica y se basa en:
La propagación rectilínea de la luz
: la luz está formada por pequeñas partículas que viajan a gran velocidad, pero no infinita, de manera que sus trayectorias rectilíneas constituyen los rayos luminosos.
La ley de la reflexión:
al incidir la luz en una superficie lisa como la de un espejo choca con dicha superficie y se refleja del mismo modo que una bala choca contra una placa de acero.
La ley de la refracción
o cambio en la dirección de la trayectoria que experimenta la luz cuando pasa de un medio a otro diferente, por ejemplo, del aire al agua. La refracción es debida a la diferente densidad de los medios por los que atraviesa la luz Sus métodos mecánicos le condujeron a conclusiones erróneas, al afirmar que la velocidad de la luz era superior en el agua que en el aire 4
Modelos ondulatorios
Modelo ondulatorio de Huygens
En 1690 publicó su teoría sobre la propagación de la luz que necesitaba de un medio material llamado como un movimiento ondulatorio éter , para propagarse Desechaba de luz la posibilidad de que se tratara de un podían cruzarse sin estorbarse movimiento corpuscular ya que dos haces Su mayor error fue considerar la ondas de luz longitudinales , como las del sonido
propaga en un medio aun no descubierto que que se llamó “éter”. Consideraba el “éter “ como un fluido impalpable que todo lo llena incluso donde parece no haber nada, el vacío, luego no existe el vacío ya que está lleno del “éter”. Considera la luz como ondas esféricas y concéntricas con centro en el punto donde se origina la perturbación (foco luminoso).
La discusión entre el modelo corpuscular de Newton y el ondulatorio de Huygens fue ganada por Newton en un primer momento debido a su mayor prestigio y fama como científico y a que los experimentos que se conocían en aquella época apoyaban a Newton
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Fotón
EFECTO FOTOELÉCTRICO
e Consiste en la obtención de electrones libres de un metal cuando sobre este incide un haz de luz Un aumento de la intensidad luminosa no suponía un incremento de la cinética energía de los electrones emitidos La luz interacciona con los electrones de la materia en cantidades discretas que se denominan cuantos La energía de un cuanto es : E = h cuyo valor es h = 6,62 . 10 -34 J.s
siendo la frecuencia y h la constante de Planck
Einstein rechaza la existencia del “éter” y admite que la luz se propaga en el vacío con una velocidad de 3.10
8 m/s
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La luz se debe a la oscilación de las cargas eléctricas que forman la materia, es una perturbación electromagnética que se propaga en forma ondulatoria transversal en el vacío. Una onda electromagnética se produce por la variación en algún lugar del espacio de las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia.
NATURALEZA CORPUSCULAR DE LA LUZ
Para observar la presión luminosa se sitúan dos espejos planos en los extremos de una barra suspendida por su centro y orientados en sentidos opuestos Se hace incidir dos haces de luz se puede calcular el valor de la de gran intensidad produciendo un giro, de modo que presión que la luz ejerce sobre los espejos Esto demuestra que la luz se comporta en ocasiones como una partícula Louis de Broglie afirmó en 1922 que la luz tiene doble naturaleza: ondulatoria y corpuscular 7
EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
Ondas de radio Infrarrojos Ultravioleta Microondas Luz visible Rayos X Rayos gamma Las ondas onda electromagnéticas difieren entre , pero todas se propagan en el sí en su frecuencia y en su longitud de vacío a la misma velocidad Las longitudes de onda cubren una amplia gama de valores que se denomina espectro electromagnético 8
ÍNDICE DE REFRACCIÓN
INDICE DE luz en el REFRACCIÓN: es la relación que existe entre la velocidad de la vacío y la velocidad de la luz en un determinado medio.
n c v Puede definirse refracción relativo el medios como: índice de entre dos n 2 , 1 n 2 n 1 Índice de refracción de algunas sustancias Aire 1,00 tomándose en general al vacío como medio 1 Agua 1,33
La velocidad de la luz en el vacío es igual a 3.10
8 m/s; y es la velocidad máxima que existe.
Un índice de refracción pequeño indica una velocidad grande.
El índice de refracción del aire se puede tomar como 1 ya que la velocidad de la luz en el aire es aproximadamente igual que en el vacío.
Medios Isótropos:
tienen igual índice de refracción en todas las direcciones.
Medios Anisótropos
: tienen diferente índice de refracción según la dirección que se tome.
Aceite Vidrio para botellas Vidrio crown ligero Vidrio flint ligero Cristalino Cuarzo Diamante Nailon 66 9 1,45 1,52 1,54 1,58 1,44 1,54 2,42 1,53
REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ
Foco
A B
Rayo incidente r i
N
i i ’ Rayo reflejado r i ’ O r r r ’
S
Tanto en la como en la reflexión refracción, el rayo normal y incidente, los la rayos reflejados o refractados se encuentran en el mismo plano.
Rayo refractado 10
REFLEXIÓN
el rayo de luz llega a la separación de dos medios y sale rebotado.
La reflexión es el fenómeno por el cual el medio de incidencia. Este rayo incidente sigue propagándose fenómeno permite ver objetos no luminosos por el Dependiendo del tipo de superficie, lisa o irregular, la reflexión será especular , o difusa
REFLEXIÓN ESPECULAR REFLEXIÓN DIFUSA Normales Rayo incidente Normales Rayo reflejado Rayo reflejado Superficie regular Superficie irregular En cualquier caso, el la normal reflejado ( (
r )
i ), es ángulo que forma el rayo incidente con igual al formado por la normal y el
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REFRACCIÓN
La refracción luz es la desviación que experimenta la cuando pasa de un medio a otro dirección de propagación de la en el que su velocidad es distinta
Esta ley fue la enunció Willebord Snell , astrónomo y matemático holandés en 1620
Ley de Snell:
Cuando la luz pasa de un medio de índice de refracción n i a otro medio de ángulos de incidencia
n i
i y de
sen
i = n r
índice de refracción n r , los refracción
sen
r
r cumplen la relación: Rayo incidente N Rayo incidente N sen
i
ˆ sen
V
1
V
2 Medio 1 Medio 1 Medio 2 Rayo refractado Medio 2 La luz se propaga más rápido en el medio 2 que en el 1 (n 2 menor que n 1 ) Rayo refractado sen
i
ˆ sen
v
1
v
2
c
/
n
1
c
/
n
2
n
2
n
1 La luz se propaga más rápido en el medio 1 que en el 2 (n 1 menor que n 2 ) 12
LA DISPERSIÓN DE LA LUZ
Luz blanca Prisma rojo violet a Obtención del espectro continuo de la luz, al hacer pasar un rayo de luz solar a través del prisma La dispersión de la luz es la separación de un rayo de luz en sus componentes debido a su diferente índice de refracción Rojo Naranja Amarillo Verde Azul Índigo Violeta
La luz blanca está formada por una mezcla de luces de diversos colores y cada color corresponde a una determinada longitud de onda, siendo el extremo del espectro luminoso visible (mínima frecuencia) el rojo y el otro extremo el violeta.
Físicamente el color no existe, se trata de una sensación fisiológica y psicológica que sólo algunas especies animales comparten con el hombre. El color que se percibe no es más que el resultado que proporciona la medida que lleva a cabo el ojo y la interpretación que realiza el cerebro de la luz que recibe.
Los diferentes objetos que nos rodean reciben luz y absorben la mayoría de las radiaciones, pero reflejan algunas que corresponden al color con el que les vemos 13
ÓPTICA GEOMÉTRICA
Óptica geométrica es la parte de la física que estudia la trayectoria de la luz cuando experimenta reflexiones y refracciones en la superficie de separación entre medios Sistema óptico es un conjunto de medios materiales limitados por superficies de cualquier naturaleza Modelo de rayo de luz en una es un modelo que supone que la luz no se difracta y consiste línea de avance perpendicular al frente de onda Los rayos son: Sistema óptico: Las imágenes Reversibles en su propagación Independientes de otros rayos Estigmático Astigmático Centrado Según su naturaleza Según su posición Reales Virtuales Derechas Invertidas 14
Normas DIN
CONVENIO DE SIGNOS
OY Propagación Y>0 s < 0 • F’ • F Y’<0 OX f ’<0 f>0 Las magnitudes que hacen referencia a la imagen son las mismas que las referidas al objeto añadiéndoles el signo <
CONSTRUCCIÓN GEOMÉTRICA DE IMÁGENES EN UN ESPEJO PLANO
Espejo El observador ve la imagen A’ de A porque recibe el rayo reflejado en el espejo M A A’ La formación de imágenes en espejos planos se rigen por las leyes de la reflexión La imagen formada por un espejo plano es virtual y simétrica respecto al plano del espejo 16
Eje C •
ESPEJOS ESFÉRICOS
Espejo cóncavo R F• f O Eje Espejo convexo f • F R • C C: Centro de curvatura R: Radio de curvatura O: Centro del espejo F: Foco f : Distancia focal Eje: Eje principal o eje óptico 17
CÁLCULO DE LA DISTANCIA FOCAL
A M A Eje h f 2 • F R Eje R F • 2 M O f h Espejo convexo Espejo cóncavo Para un espejo convexo, y con resulta válida la aproximación rayos paraxiales tg 2 = 2 tg (forman ángulos 10 º con el eje óptico), En OMF : En OMF : tg tg 2 h h f R h f 2 R h f R 2 Para un espejo cóncavo, la expresión es equivalente, pero al ser el radio negativo, también lo será la distancia focal La distancia focal de un espejo esférico es igual a la mitad del radio de curvatura 18
FORMACIÓN DE IMÁGENES EN ESPEJOS ESFÉRICOS
A M N Eje B Para situar la basta con posición de la imagen trazar dos aunque se dispone de tres rayos, fáciles de dibujar: O A’ B’ • F • C El rayo AM: paralelo al eje, se refleja de modo que él o su prolongación pasa por el foco El rayo AN: dirección El rayo AF: incide normal al espejo, su prolongación pasa por C, y vuelve por la misma dirigido hacia el foco, se refleja paralelo al eje 19
IMAGEN FORMADA POR ESPEJOS CÓNCAVOS
A Eje B • C B’ F• A’ O Si el objeto está situado entre ...
El infinito y el centro de curvatura, la imagen es real, invertida y menor que el objeto El centro de curvatura y el foco, la imagen es real, invertida y de mayor tamaño El foco y el espejo, las prolongaciones de los rayos reflejados forman la imagen virtual, derecha y de mayor tamaño 20
El objeto se sitúa más allá del centro de curvatura El objeto se sitúa entre el centro de curvatura y el foco.
C F
Imagen real invertida y más pequeña que el objeto
El objeto se sitúa sobre el centro de curvatura.
C F
Imagen real, invertida y más grande que el objeto
El objeto se sitúa entre el foco y el centro del espejo .
C F
Imagen real invertida y del mismo tamaño que el objeto.
C F
Imagen virtual derecha y más
grande que el objeto.
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IMAGEN FORMADA POR ESPEJOS CONVEXOS
A Eje B O A’ B’ • F • C Independientemente del lugar donde se coloque el objeto produce el mismo tipo de imágenes el espejo convexo siempre Las imágenes de los objetos son el objeto siempre virtuales, derechas y de menor tamaño que La imagen es más pequeña cuento más alejado está el objeto por lo que los espejos convexos amplían el campo de visión y se utilizan en garajes y esquinas.
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ECUACIÓN DE LOS ESPEJOS
Dos rayos parten del extremo A El rayo AM se refleja y su pasa por F prolongación AO se refleja la y su prolongación corta a prolongación del rayo AM en A’ A M A’ y Como BAO y B’A’O son semejantes A ' B ' AB OB OB ' y ' y s ' ( s ) (1) El cociente entre los se llama tamaños objeto e imagen aumento lateral A: Eje
A
y
' -
y s
'
s
B s O N s’ B’ y’ • F Como NMF y B’A’F son semejantes Igualando (1) y (2) : Dividiendo por s’: s ' s
s'
s s ' f f f s ' s ' f
s'
A ' B ' MN B ' F NF 1 s f f s ' s ' f s ' y ' y f s ' f (2) 1 s ' 1 s 1 f 23 • C
LENTES DELGADAS
1) 2) Una lente es un material transparente limitado por dos superficies esféricas , o por una esférica y una plana P P’’ P’ Una lente puede considerarse como la asociación de dos dioptrios s’’ s’ Si el espesor de la lente en el eje óptico es despreciable frente a los radios de las caras de la lente, la lente se denomina delgada s La ecuación de las leyes delgadas es: 1 s ' 1 s ( n 1 ) 1 r 1 1 r 2 La llamada ecuación del fabricante de lentes En las lentes delgadas f = – f’, ´resultando: es: 1 f ' 1 s ' 1
f
1 (
n
1 ) s
r
1 1 -
r
1 2 Las lentes se especifican indicando el valor de su potencia , cuyo valor es: P
y
y s
s
1 f ' Su unidad es la dioptría (1 D = 1 m -1 ) 24
LENTES CONVERGENTES
Una lente es convergente cuando la distancia focal imagen, f ’ es positiva • F f ' 1 ( n 1 ) 1 r 1 1 r 2 f’ es positiva si: Biconvexa r 1 r 2 > 0 < 0 Planoconvexa r r 1 2 > 0 = Menisco convergente r 1 r 2 r 1 > 0 > 0 < r 2 25
LENTES DIVERGENTES
Una lente es divergente cuando la distancia focal imagen, f ’ es negativa F • f ' 1 ( n 1 ) 1 r 1 1 r 2 f’ es negativa si: Bicóncava Planocóncava r r 1 2 < 0 > 0 r 1 = r 2 > 0 Menisco divergente r 1 r 2 r 1 < 0 < 0 < r 2 26
FORMACIÓN DE IMÁGENES EN LENTES
El comportamiento de las lentes además, de la depende de que sean convergentes o divergentes y situación del objeto con respecto a ellas Los puntos situados sobre el eje del sistema, tienen su imagen en éste De los infinitos rayos que pasan por un punto A del objeto converjan en un punto, que basta tomar dos será la imagen A’. Aún así, es fácil dibujar tres rayos: que El rayo que incide paralelo al eje divergente, por se desvía y pasa por el foco imagen F’. Si la lente es F’ pasa la prolongación del rayo emergente El rayo que pasa por el foco objeto F sale paralelo al eje El rayo que pasa por el centro de la lente no sufre desviación 27
FORMACIÓN DE IMÁGENES CON LENTES CONVERGENTES
OBJETO LEJANO objeto situado a una distancia de la lente superior a la focal (s > f) B A
S
M • F O
S’
• F’ B’ A’ 28
Objeto más allá de 2f:
2f F O F I
Objeto entre 2f y Fo:
Imagen real, invertida y menor que el objeto
Objeto en 2f:
2f F O F I 2f ´
Imagen real invertida, de igual tamaño que el objeto
2f F O F I
Imagen real, invertida y mayor que el objeto
Objeto entre Fo y S:
F I F O
Imagen virtual, derecha y mayor que el objeto
Este es el efecto de las LUPAS que hacen ver los objetos más grandes y como si estuvieran más cerca.
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FORMACIÓN DE IMÁGENES CON LENTES DIVERGENTES
OBJETO LEJANO objeto situado a una distancia de la lente superior a la focal (s > f) A B
S
A’ B’
S’
• F 30
OBJETO ENTRE EL FOCO Y LA LENTE (s < f) A A’ • F’ B B’
S S’
• F 31
COMBINACIÓN DE LENTES
La imagen formada por la primera imagen final y’ y ' 1 hace de objeto para la segunda, que produce la
S S’
B’’ A y B • F 1 M O y’ F’ 1 • F 2 • B’ y’ 1 A’ O • F’ 2 L Microscopio compuesto A’’ El aumento total es el cociente entre el y el del objeto tamaño de la imagen final 32
El microscopio está formado por dos lentes convergentes llamadas objetivo y ocular. Sirve para aumentar el tamaño con que se ven los objetos pequeños y poder verlos mejor.
La primera lente (objetivo) tiene una distancia focal pequeña, la segunda lente (ocular) tiene una distancia focal mucho mayor. A la distancia entre el foco imagen del objeto F ´1 y el foco objeto del ocular F2 se le llama
L = longitud del tubo del microscopio
.
A
25
L f
1
f
2 A es el aumento, va todo en
cm
como x10, x50 x100, etc.
y viene indicado en los microscopios Lente objetivo F ´ 1 L Lente ocular F 2 F ´ 2 Imagen virtual, invertida y mucho más grande que el objeto 33
EL EFECTO DOPPLER
Si un tren o ambulancia, con su silbato o sirena respectivamente se acerca frecuencia rápidamente, de sonido oyes una más alta.
Cuando frecuencia comienza que considerablemente.
a alejarse, oyes la baja El cambio de frecuencia que se debe al movimiento relativo entre el observador y la fuente sonora se llama
efecto Doppler
; es decir, que cuando el que escucha se acerca o se aleja de la fuente del sonido percibirá éste con una frecuencia distinta de la que en realidad tiene. El efecto se llama así en honor del físico austríaco Christian Andreas Doppler, quien predijo teóricamente su existencia.
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ONDAS SONORAS
Las ondas sonoras son ondas mecánicas longitudinales. Su propagación se produce gracias a la compresión y expansión del medio por el que se propagan.
Un foco sonoro es algo que vibra y origina variaciones de un medio elástico.
presión que se propagan en Las ondas sonoras u ondas de presión no siempre son audibles. El oído humano solo percibe ondas cuya frecuencia está comprendida entre 16 y 20.000 Hz.
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CUALIDADES DEL SONIDO
Desde el punto de vista de la percepción del sonido por el ser humano los sonidos se caracterizan por su intensidad, tono y timbre.
Intensidad
La intensidad o el volumen es la cualidad que nos permite clasificar los sonidos en fuertes o débiles y esta relacionada directamente con la magnitud física “
Intensidad de la onda”
que es la cantidad de energía que transporta la onda por unidad de superficie y unidad de tiempo.
Tono
El tono es una cualidad del sonido que nos permite clasificar los sonidos en altos y graves y está relacionada directamente con la magnitud física “
frecuencia”.
Los sonidos graves son los de frecuencia baja y los sonidos altos son los de gran frecuencia.
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Timbre
El timbre nos permite distinguir dos sonidos de la misma intensidad y la misma frecuencia. Por ejemplo nos permite distinguir el sonido de una trompeta y un violín aunque emitan la misma nota con la misma intensidad.
En general, los sonidos no son de una sola frecuencia, los sonidos suelen tener una onda principal que va acompañada de otras ondas de menor amplitud llamadas armónicos cuya frecuencia es múltiplo de la onda principal; la suma de esas ondas da lugar a una onda que tiene una forma determinada. El timbre está relacionado con la forma de la onda.
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Recopilado de: http://web.educastur.princast.es/proyectos/jimena/pj_franciscga/cualison.htm
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