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UNIDAD III – TEMA 7
              ÓPTICA2ºINTRODUCCIÓN
               FÍSICA BACHILLERATO
                     :



 UNIDAD III – TEMA 7

ÓPTICA : INTRODUCCIÓN
UNIDAD III – TEMA 7
                                    ÓPTICA : INTRODUCCIÓN

1. NATURALEZA DE LA LUZ
                   CONTRADICCIÓN HISTÓRICA
• Dejando de lado las ideas más antiguas sobre la naturaleza
  de la luz, los máximos protagonistas de esta historia son
  Isaac Newton y Cristian Huygens.
• Ambos científicos fueron contemporáneos y llegaron a
  conocerse en 1689. Un año más tarde aparece la obra de
  Huygens, mientras que Newton publica su obra en 1704.
• En sus obras aparecen las dos teorías clásicas ondulatoria y
  corpuscular sobre la naturaleza de la luz.
UNIDAD III – TEMA 7
                                                                      ÓPTICA : INTRODUCCIÓN

1. NATURALEZA DE LA LUZ
              A- TEORÍA CORPUSCULAR de NEWTON
•   Esta teoría se debe a Newton (1642-1726). La luz está compuesta por diminutas
    partículas materiales emitidas a gran velocidad en línea recta por cuerpos luminosos. La
    dirección de propagación de estas partículas recibe el nombre de rayo luminoso.
•   La teoría de Newton se fundamenta en estos puntos:
     – Propagación rectilínea. La luz se propaga en línea recta porque los corpúsculos que la forman se mueven a gran
       velocidad.
     – Reflexión. se sabe que la luz al chocar contra un espejos se refleja. Newton explicaba este fenómeno diciendo
       que las partículas luminosas son perfectamente elásticas y por tanto la reflexión cumple las leyes del choque
       elástico.
     - Refracción. El hechos de que la luz cambie la velocidad en medios de
       distinta densidad, cambiando la dirección de propagación, tiene difícil
       explicación con la teoría corpuscular. Sin embargo Newton supuso que la
       superficie de separación de dos medios de distinto índice de refracción
       ejercía una atracción sobre las partículas luminosas, aumentando así la
       componente normal de la velocidad mientras que la componente tangencial
       permanecía invariable.

     ES DECIR, QUE PARA CONFIRMAR SU TEORÍA PROPUGNABA
        QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ EN EL AGUA ERA MAYOR
        QUE EN EL AIRE.
UNIDAD III – TEMA 7
                                                    ÓPTICA : INTRODUCCIÓN

1. NATURALEZA DE LA LUZ
              B- TEORÍA ONDULATORIA de HUYGENS
•   Fue idea del físico holandés C. Huygens. La luz se propaga mediante ondas
    mecánicas emitidas por un foco luminoso. La luz para propagarse necesitaba un
    medio material de gran elasticidad, impalpable, que todo lo llena, incluyendo el
    vacío, puesto que la luz también se propaga en él : EL ÉTER.
•   La energía luminosa no está concentrada en cada partícula,
    como en la teoría corpuscular sino que está repartida por todo
    el frente de onda. El frente de onda es perpendicular a las
    direcciones de propagación (recordar principio de Huygens).
•   Según esta teoría, la luz se propaga con mayor velocidad en los medios menos
    densos. SU TEORÍA PROPUGNABA QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ EN EL AGUA
    ERA MENOR QUE EN EL AIRE (COMPROBADO POR FOUCAULT EN 1850)
•   A pesar de esto, la teoría de Huygens fue olvidada durante un siglo debido a la
    gran autoridad de Newton.
•   Los experimentos de Young y Fresnel sobre interferencias y difracción, ya en 1827,
    apoyaron esta teoría.
UNIDAD III – TEMA 7
                                                        ÓPTICA : INTRODUCCIÓN

1. NATURALEZA DE LA LUZ
       B- TEORÍA ONDULATORIA: PUNTOS FUERTES Y DÉBILES
•   PUNTOS FUERTES DE LA TEORÍA ONDULATORIA
    – Sostenía que la velocidad de la luz en medios más densos (agua) era menor que en los
      menos densos (aire), lo que se comprobó como cierto y desechaba la teoría corpuscular
    – El experimento de Young sobre interferencias apoyaba la versión ondulatoria
    – Explicaba la reflexión, difracción, interferencias y polarización de la luz
                                                                  EXPERIMENTO DE YOUNG
•   PUNTOS DÉBILES DE LA TEORÍA ONDULATORIA
    – Las ondas (hasta el momento) necesitaban un medio para su propagación. ¿Qué pasa en
      el vacío?(espacio). La luz también se propaga - > Se “inventa” el ETER. Fallo: Para
      explicar la gran velocidad de propagación de la luz, sería necesario que el Eter fuera un
      medio muy rígido, pero NO PUEDE SER, puesto que no ofrece resistencia al movimiento
      de los planetas.
UNIDAD III – TEMA 7
                                                   ÓPTICA : INTRODUCCIÓN

1. NATURALEZA DE LA LUZ
       C- TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA de MAXWELL y HERTZ
•   En 1864 Maxwell obtuvo una serie de ecuaciones fundamentales del
    electromagnetismo y predijo la existencia de ondas electromagnéticas. Maxwell
    supuso que la luz representaba una pequeña porción del espectro de ondas
    electromagnéticas




•   Experimentalment Hertz confirmó, 15 años después, la existencia de estas ondas.
•   Estas ondas podrían ser reflejadas, refractadas, concentradas por una lente,
    polarizadas, podían propagarse EN EL VACÍO (NO HACE FALTA “ÉTER”)
•   Por todo esto, hasta finales del S XIX se creía que ya se sabía como era la luz….
    ¡CRASO ERROR!... Pues esta teoría de la luz como ONDA ELECTROMAGNÉTICA no
    explicaba varios fenómenos observados más adelante, como el EFECTO
    FOTOELÉCTRICO ó el EFECTO COMPTON.
UNIDAD III – TEMA 7
                                                                            ÓPTICA : INTRODUCCIÓN

1. NATURALEZA DE LA LUZ
                     EFECTO FOTOELÉCTRICO
•   El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal cuando se ilumina con luz de una
    frecuencia suficientemente elevada. Hertz lo observó de una forma algo indirecta al realizar sus experimento en 1887 y
    dejó constancia de él, pero no le dio demasiada importancia.
•   En el efecto fotoeléctrico se observaba que si un haz de luz incidía en una placa de metal producía electricidad en el
    circuito. Presumiblemente, la luz liberaba los electrones del metal, provocando su flujo.
•   Sin embargo, mientras que una luz azul débil era suficiente para provocar este efecto, la más fuerte e intensa luz roja
    no lo provocaba. De acuerdo con la teoría ondulatoria, la fuerza o amplitud de la luz se hallaba en proporción con su
    brillantez: La luz más brillante debería ser más que suficiente para crear el paso de electrones por el circuito. Sin
    embargo, extrañamente, no lo producía.
•   Einstein , en 1905, llegó a la conclusión de que los electrones eran expelidos fuera del metal por la incidencia de
    pequeños paquetes llamados fotones. Cada fotón individual acarreaba una cantidad de energía , que se encontraba
    relacionada con la frecuencia f. VUELTA A LA TEORÍA CORPUSCULAR.
•   Sólo los fotones con una frecuencia alta (por encima de un valor umbral específico) podían provocar la corriente de
    electrones (frecuencia alta = λ baja). Por ejemplo, la luz azul emitía unos fotones con una energía suficiente para
    arrancar los electrones del metal, mientras que la luz roja no. Una luz más intensa por encima del umbral mínimo
    puede arrancar más electrones, pero ninguna cantidad de luz por debajo del mismo podrá arrancar uno solo, por muy
    intenso que sea su brillo.
                                          EL EFECTO FOTOELÉCTRICO
•   Esta explicación del efecto fotoeléctrico dio a Einstein el Premio Nobel en 1921 ( no la teoría de la relatividad).
UNIDAD III – TEMA 7
                                                                ÓPTICA : INTRODUCCIÓN

1. NATURALEZA DE LA LUZ
                 POSTURA ACTUAL – DUALIDAD
•   Con la hipótesis de Einstein-Planck, CRISIS: En el marco de la física clásica el modelo
    ondulatorio y el corpuscular de la luz -> INCOMPATIBLES. Pero:
      – Modelo ondulatorio de Maxwell explicaba reflexión, refracción, descomposición en colores,
         difracción, interferencias, efecto Doppler, polarización,
      – Modelo corpuscular explicaba muchos nuevos hechos como el efecto fotoeléctrico, el efecto
         Compton, la radiación del cuerpo negro,..
•   En 1924, el físico francés De Broglie (1892-1987), obsesionado por el problema de los cuantos, tuvo la
    intuición de que el doble aspecto corpuscular y ondulatorio de la luz era extensible a todas las
    partículas materiales (Premio nobel de Física en 1929). BASES DE LA FÍSICA CUÁNTICA.

• Para la física moderna la luz tiene naturaleza
   dual, corpuscular y ondulatoria: se trata de
  dos aspectos diferentes de la misma cuestión
     que no solo no se excluyen sino que se
                  complementan.
             VIDEO RESUMEN CONTRADICCIÓN HISTÓRICA
UNIDAD III – TEMA 7
                                                             ÓPTICA : INTRODUCCIÓN

2. VELOCIDAD DE LA LUZ
                    HISTORIA E IMPORTANCIA
•   Ya hemos visto la importancia de la medición de la velocidad de la luz para el
    esclarecimiento de la naturaleza de la luz.
•   Primeros intentos:
          GALILEO 1667 – DOS CERROS: CORRECTO PERO IMPRECISO
    Consistía en realizar señales con linternas desde dos colinas
    que se encontraban a 1 km de distancia. Su idea consistía en
    medir el tiempo que tarda la luz en recorrer dos veces la
    distancia entre los experimentadores situados en las colinas.
    Uno de ellos destapaba su linterna y cuando el otro veía la luz,
    destapaba la suya. El tiempo transcurrido desde que el
    experimentador A destapaba su linterna hasta que veía la luz
    procedente de B era el tiempo que tardaba la luz en recorrer
    ida y vuelta la distancia entre los dos experimentadores.

•   Aunque el método es correcto, la velocidad de la luz es muy alta y el tiempo a medir era
    incluso más pequeño que las fluctuaciones de la respuesta humana. Galileo no pudo
    obtener un valor razonable para la velocidad de la luz
UNIDAD III – TEMA 7
                                                            ÓPTICA : INTRODUCCIÓN

2. VELOCIDAD DE LA LUZ
                 APROXIMACIONES HISTÓRICAS
 1676 Olaf Romer (1644-1710) determina la velocidad
 de la luz mediante la observación de los eclipses de los
 satélites de Júpiter. 214.000 km/s

 1849 Hippolyte Fizeau : Un rayo de luz se
 dirigía a un espejo a cientos de metros de
 distancia. En su trayecto de la fuente hacia el
 espejo, el rayo pasaba a través de un
 engranaje rotatorio. A cierto nivel de rotación,
 el rayo pasaría a través de un orificio en su
 camino de salida y en otro en su camino de
 regreso. Pero en niveles ligeramente
 menores, el rayo se proyectaría en uno de los
 dientes y no pasaría a través de la rueda.
 Conociendo la distancia hacia el espejo, el
 número de dientes del engrane, y el índice de
 rotación, se podría calcular la rapidez de la
 luz 313.000 km/s
UNIDAD III – TEMA 7
                                                       ÓPTICA : INTRODUCCIÓN

2. VELOCIDAD DE LA LUZ
                 APROXIMACIONES HISTÓRICAS
 1862 Leon Foucault mejora el método de Fizeau al
 reemplazar el engranaje con un espejo rotatorio. El
 valor estimado por Foucault, fue de 298.000 km/s




 Hoy en día está considerada c (velocidad de la luz
 en el vacío) como:


          c= 299.792,4 km/s

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  • 1. UNIDAD III – TEMA 7 ÓPTICA2ºINTRODUCCIÓN FÍSICA BACHILLERATO : UNIDAD III – TEMA 7 ÓPTICA : INTRODUCCIÓN
  • 2. UNIDAD III – TEMA 7 ÓPTICA : INTRODUCCIÓN 1. NATURALEZA DE LA LUZ CONTRADICCIÓN HISTÓRICA • Dejando de lado las ideas más antiguas sobre la naturaleza de la luz, los máximos protagonistas de esta historia son Isaac Newton y Cristian Huygens. • Ambos científicos fueron contemporáneos y llegaron a conocerse en 1689. Un año más tarde aparece la obra de Huygens, mientras que Newton publica su obra en 1704. • En sus obras aparecen las dos teorías clásicas ondulatoria y corpuscular sobre la naturaleza de la luz.
  • 3. UNIDAD III – TEMA 7 ÓPTICA : INTRODUCCIÓN 1. NATURALEZA DE LA LUZ A- TEORÍA CORPUSCULAR de NEWTON • Esta teoría se debe a Newton (1642-1726). La luz está compuesta por diminutas partículas materiales emitidas a gran velocidad en línea recta por cuerpos luminosos. La dirección de propagación de estas partículas recibe el nombre de rayo luminoso. • La teoría de Newton se fundamenta en estos puntos: – Propagación rectilínea. La luz se propaga en línea recta porque los corpúsculos que la forman se mueven a gran velocidad. – Reflexión. se sabe que la luz al chocar contra un espejos se refleja. Newton explicaba este fenómeno diciendo que las partículas luminosas son perfectamente elásticas y por tanto la reflexión cumple las leyes del choque elástico. - Refracción. El hechos de que la luz cambie la velocidad en medios de distinta densidad, cambiando la dirección de propagación, tiene difícil explicación con la teoría corpuscular. Sin embargo Newton supuso que la superficie de separación de dos medios de distinto índice de refracción ejercía una atracción sobre las partículas luminosas, aumentando así la componente normal de la velocidad mientras que la componente tangencial permanecía invariable. ES DECIR, QUE PARA CONFIRMAR SU TEORÍA PROPUGNABA QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ EN EL AGUA ERA MAYOR QUE EN EL AIRE.
  • 4. UNIDAD III – TEMA 7 ÓPTICA : INTRODUCCIÓN 1. NATURALEZA DE LA LUZ B- TEORÍA ONDULATORIA de HUYGENS • Fue idea del físico holandés C. Huygens. La luz se propaga mediante ondas mecánicas emitidas por un foco luminoso. La luz para propagarse necesitaba un medio material de gran elasticidad, impalpable, que todo lo llena, incluyendo el vacío, puesto que la luz también se propaga en él : EL ÉTER. • La energía luminosa no está concentrada en cada partícula, como en la teoría corpuscular sino que está repartida por todo el frente de onda. El frente de onda es perpendicular a las direcciones de propagación (recordar principio de Huygens). • Según esta teoría, la luz se propaga con mayor velocidad en los medios menos densos. SU TEORÍA PROPUGNABA QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ EN EL AGUA ERA MENOR QUE EN EL AIRE (COMPROBADO POR FOUCAULT EN 1850) • A pesar de esto, la teoría de Huygens fue olvidada durante un siglo debido a la gran autoridad de Newton. • Los experimentos de Young y Fresnel sobre interferencias y difracción, ya en 1827, apoyaron esta teoría.
  • 5. UNIDAD III – TEMA 7 ÓPTICA : INTRODUCCIÓN 1. NATURALEZA DE LA LUZ B- TEORÍA ONDULATORIA: PUNTOS FUERTES Y DÉBILES • PUNTOS FUERTES DE LA TEORÍA ONDULATORIA – Sostenía que la velocidad de la luz en medios más densos (agua) era menor que en los menos densos (aire), lo que se comprobó como cierto y desechaba la teoría corpuscular – El experimento de Young sobre interferencias apoyaba la versión ondulatoria – Explicaba la reflexión, difracción, interferencias y polarización de la luz EXPERIMENTO DE YOUNG • PUNTOS DÉBILES DE LA TEORÍA ONDULATORIA – Las ondas (hasta el momento) necesitaban un medio para su propagación. ¿Qué pasa en el vacío?(espacio). La luz también se propaga - > Se “inventa” el ETER. Fallo: Para explicar la gran velocidad de propagación de la luz, sería necesario que el Eter fuera un medio muy rígido, pero NO PUEDE SER, puesto que no ofrece resistencia al movimiento de los planetas.
  • 6. UNIDAD III – TEMA 7 ÓPTICA : INTRODUCCIÓN 1. NATURALEZA DE LA LUZ C- TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA de MAXWELL y HERTZ • En 1864 Maxwell obtuvo una serie de ecuaciones fundamentales del electromagnetismo y predijo la existencia de ondas electromagnéticas. Maxwell supuso que la luz representaba una pequeña porción del espectro de ondas electromagnéticas • Experimentalment Hertz confirmó, 15 años después, la existencia de estas ondas. • Estas ondas podrían ser reflejadas, refractadas, concentradas por una lente, polarizadas, podían propagarse EN EL VACÍO (NO HACE FALTA “ÉTER”) • Por todo esto, hasta finales del S XIX se creía que ya se sabía como era la luz…. ¡CRASO ERROR!... Pues esta teoría de la luz como ONDA ELECTROMAGNÉTICA no explicaba varios fenómenos observados más adelante, como el EFECTO FOTOELÉCTRICO ó el EFECTO COMPTON.
  • 7. UNIDAD III – TEMA 7 ÓPTICA : INTRODUCCIÓN 1. NATURALEZA DE LA LUZ EFECTO FOTOELÉCTRICO • El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal cuando se ilumina con luz de una frecuencia suficientemente elevada. Hertz lo observó de una forma algo indirecta al realizar sus experimento en 1887 y dejó constancia de él, pero no le dio demasiada importancia. • En el efecto fotoeléctrico se observaba que si un haz de luz incidía en una placa de metal producía electricidad en el circuito. Presumiblemente, la luz liberaba los electrones del metal, provocando su flujo. • Sin embargo, mientras que una luz azul débil era suficiente para provocar este efecto, la más fuerte e intensa luz roja no lo provocaba. De acuerdo con la teoría ondulatoria, la fuerza o amplitud de la luz se hallaba en proporción con su brillantez: La luz más brillante debería ser más que suficiente para crear el paso de electrones por el circuito. Sin embargo, extrañamente, no lo producía. • Einstein , en 1905, llegó a la conclusión de que los electrones eran expelidos fuera del metal por la incidencia de pequeños paquetes llamados fotones. Cada fotón individual acarreaba una cantidad de energía , que se encontraba relacionada con la frecuencia f. VUELTA A LA TEORÍA CORPUSCULAR. • Sólo los fotones con una frecuencia alta (por encima de un valor umbral específico) podían provocar la corriente de electrones (frecuencia alta = λ baja). Por ejemplo, la luz azul emitía unos fotones con una energía suficiente para arrancar los electrones del metal, mientras que la luz roja no. Una luz más intensa por encima del umbral mínimo puede arrancar más electrones, pero ninguna cantidad de luz por debajo del mismo podrá arrancar uno solo, por muy intenso que sea su brillo. EL EFECTO FOTOELÉCTRICO • Esta explicación del efecto fotoeléctrico dio a Einstein el Premio Nobel en 1921 ( no la teoría de la relatividad).
  • 8. UNIDAD III – TEMA 7 ÓPTICA : INTRODUCCIÓN 1. NATURALEZA DE LA LUZ POSTURA ACTUAL – DUALIDAD • Con la hipótesis de Einstein-Planck, CRISIS: En el marco de la física clásica el modelo ondulatorio y el corpuscular de la luz -> INCOMPATIBLES. Pero: – Modelo ondulatorio de Maxwell explicaba reflexión, refracción, descomposición en colores, difracción, interferencias, efecto Doppler, polarización, – Modelo corpuscular explicaba muchos nuevos hechos como el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton, la radiación del cuerpo negro,.. • En 1924, el físico francés De Broglie (1892-1987), obsesionado por el problema de los cuantos, tuvo la intuición de que el doble aspecto corpuscular y ondulatorio de la luz era extensible a todas las partículas materiales (Premio nobel de Física en 1929). BASES DE LA FÍSICA CUÁNTICA. • Para la física moderna la luz tiene naturaleza dual, corpuscular y ondulatoria: se trata de dos aspectos diferentes de la misma cuestión que no solo no se excluyen sino que se complementan. VIDEO RESUMEN CONTRADICCIÓN HISTÓRICA
  • 9. UNIDAD III – TEMA 7 ÓPTICA : INTRODUCCIÓN 2. VELOCIDAD DE LA LUZ HISTORIA E IMPORTANCIA • Ya hemos visto la importancia de la medición de la velocidad de la luz para el esclarecimiento de la naturaleza de la luz. • Primeros intentos: GALILEO 1667 – DOS CERROS: CORRECTO PERO IMPRECISO Consistía en realizar señales con linternas desde dos colinas que se encontraban a 1 km de distancia. Su idea consistía en medir el tiempo que tarda la luz en recorrer dos veces la distancia entre los experimentadores situados en las colinas. Uno de ellos destapaba su linterna y cuando el otro veía la luz, destapaba la suya. El tiempo transcurrido desde que el experimentador A destapaba su linterna hasta que veía la luz procedente de B era el tiempo que tardaba la luz en recorrer ida y vuelta la distancia entre los dos experimentadores. • Aunque el método es correcto, la velocidad de la luz es muy alta y el tiempo a medir era incluso más pequeño que las fluctuaciones de la respuesta humana. Galileo no pudo obtener un valor razonable para la velocidad de la luz
  • 10. UNIDAD III – TEMA 7 ÓPTICA : INTRODUCCIÓN 2. VELOCIDAD DE LA LUZ APROXIMACIONES HISTÓRICAS 1676 Olaf Romer (1644-1710) determina la velocidad de la luz mediante la observación de los eclipses de los satélites de Júpiter. 214.000 km/s 1849 Hippolyte Fizeau : Un rayo de luz se dirigía a un espejo a cientos de metros de distancia. En su trayecto de la fuente hacia el espejo, el rayo pasaba a través de un engranaje rotatorio. A cierto nivel de rotación, el rayo pasaría a través de un orificio en su camino de salida y en otro en su camino de regreso. Pero en niveles ligeramente menores, el rayo se proyectaría en uno de los dientes y no pasaría a través de la rueda. Conociendo la distancia hacia el espejo, el número de dientes del engrane, y el índice de rotación, se podría calcular la rapidez de la luz 313.000 km/s
  • 11. UNIDAD III – TEMA 7 ÓPTICA : INTRODUCCIÓN 2. VELOCIDAD DE LA LUZ APROXIMACIONES HISTÓRICAS 1862 Leon Foucault mejora el método de Fizeau al reemplazar el engranaje con un espejo rotatorio. El valor estimado por Foucault, fue de 298.000 km/s Hoy en día está considerada c (velocidad de la luz en el vacío) como: c= 299.792,4 km/s