domingo, 4 de marzo de 2012

Lectura 5: LA LUZ: OTRO FENÓMENO ONDULATORIO

Las características ondulatorias de la luz son las responsables de fenómenos tan maravillosos y diferentes como la percepción de los colores, la aparición del arco iris en días lluviosos y los eclipses de sol y de luna. Además, algunas veces la energía transportada por la luz es transformada para obtener otros productos. Tal es el caso de la conversión de la luz solar en calor y del proceso de la fotosíntesis realizado por las plantas. En últimas, la luz es la responsable de que haya vida sobre el planeta Tierra

LA ENERGÍA LUMINOSA

La vida en nuestro planeta requiere de la energía que el Sol irradia en forma permanente. El Sol emite radiaciones en todas las direcciones y sólo una pequeña parte de esta energía es aprovechada por la Tierra en forma de luz y calor. Por ejemplo, para llevar a cabo ciertos procesos como la fotosíntesis y el ciclo del agua. Estos tipos de energía reciben el nombre de energía luminosa y energía calórica.
LA LUZ. UNA FORMA DE ENERGÍA
Una de las experiencias más frecuentes relacionadas con la energía luminosa es el fenómeno de la, visión. La luz es una forma de energía que nos permite ver todo lo que tenemos a nuestro alrededor, por ejemplo este libro, tus compañeros y tú mismo, Algunas de las características de la luz que permiten la visión son:

  • Se propaga en todas las direcciones.
  • Se puede reflejar en los objetos (rebota, como contra un espejo).
  • Se puede refractar, es decir, pasar de un material a otro.

La luz al ser una forma de energía, también puede hacer cambiar las propiedades de los cuerpos. Así, una hoja blanca de papel expuesta durante algún tiempo a la luz del Sol se vuelve amarilla, es decir, cambia de color.

Dice una de las leyes de la física que la energía ni se construye ni se destruye, sino se transforma. De esta misma forma, la energía luminosa puede transformarse en otros tipos de energía. En las centrales solares, por ejemplo, la luz del sol se transforma en energía eléctrica o algunas veces en calor. A su vez, otros tipos de energía pueden transformarse en luz. En el caso de las bombillas, la energía eléctrica se transforma en energía luminosa.

LAS FUENTES LUMINOSAS

La luz proviene de los cuerpos llamados fuentes luminosas. Son fuentes luminosas todos aquellos cuerpos capaces de emitir luz. Dependiendo de la naturaleza y de la manera como emita la luz, existen los siguientes tipos de fuentes luminosas.

  • Fuentes luminosas naturales, como las estrellas, el fuego, los rayos y algunos organismos bioluminiscentes como las luciérnagas.
  • Fuentes luminosas artificiales, como los bombillos y los tubos fluorescentes.
  • Fuentes luminosas puntuales de luz que emiten un haz de luz muy estrecho, como los rayos láser.
  • Fuentes luminosas extensas de luz, las cuales emiten muchos rayos de luz, por ejemplo, una linterna o el Sol.

LA PROPAGACIÓN DE LA LUZ

Según permitan o no la propagación de la luz, los cuerpos pueden ser transparentes, translúcidos y opacos.

  • Son cuerpos transparentes aquellos que dejan pasar la luz y permiten ver con nitidez los cuerpos que hay detrás de ellos.
  • Son cuerpos translúcidos aquellos que dejan pasar la luz, pero no permiten ver con nitidez los cuerpos que hay detrás de ellos.
  • Son cuerpos opacos aquellos que no dejan pasar la luz.
La propagación de la luz tiene las siguientes características:
  • La luz se propaga en línea recta. Así, la luz que recibimos del Sol se desplaza en línea recta desde él hasta la Tierra.
  • La luz se propaga en todas las direcciones. Por eso la luz producida por una lámpara ilumina toda la habitación en la que se encuentra.
  • La velocidad de la luz, aunque siempre es muy alta, depende del medio a través del que se propague. Es así como en el aire y en el vacío, la luz viaja a 300.000 kilómetros por segundo, mientras que en el vidrio, por ejemplo, esta velocidad se ve reducida a 200.000 kilómetros por segundo, es decir, aproximadamente 2/3 de su velocidad de propagación en el vacío.
  • La luz no necesita de un medio de propagación Es por eso que podemos ver estrellas y galaxias lejanas a pesar del espacio vacío que tiene que atravesar.

LA DISTANCIA A LAS ESTRELLAS

¿Sabías que cuando estás observando las estrellas en el cielo, estás, viendo cómo era esa estrella hace muchos años atrás? Cuando un astrónomo observa un planeta lejano con ayuda de un telescopio, no lo está observando en el momento real sino en algún momento pasado.

La razón de esto es que la, velocidad de la luz tiene un valor finito y definido. De esta manera, los rayos procedentes de una estrella lejana tardan años en llegar a la Tierra. La distancia entre los astros se mide en una unidad llamada año-luz. Un año-luz corresponde a la distancia que recurre la luz en un año. La luz, viaja a 300.000 km/s, entonces un año-luz equivale a 9,5 billones de kilómetros aproximadamente.

TEORÍAS PARA EXPLICAR LA NATURALEZA DE LA LUZ

La determinación de la naturaleza de la luz es uno de los problemas que más ha interesado a los físicos a través de la historia de la ciencia.

EVOLUCIÓN DE LAS TEORÍAS SOBRE LA NATURALEZA DE LA LUZ

En la antigüedad, los griegos creían que la luz estaba formada por pequeños corpúsculos emitidos por los objetos. Ellos decían que cuando entraban estos corpúsculos en los ojos se daba el fenómeno de la visión.

Esta era la misma concepción que tenía Isaac Newton, quien decía que la luz al ser de naturaleza corpuscular es decir, compuesta por partículas, se reflejaba al chocar contra los cuerpos opacos y se refractaba al chocar contra los cuerpos translúcidos. Más adelante el científico danés Christian Huygens explicó estos mismos fenómenos pero desde una concepción ondulatoria de la luz. Posteriormente, nuevos experimentos y descubrimientos proporcionaron más evidencias experimentales que corroboraban la naturaleza undulatoria de la luz.

Finalmente Maxwell, en 1865, realizó la demostración definitiva de que la luz exhibía características ondulatorias. El afirmó que la luz era una onda electromagnética de alta frecuencia y por esta razón podía propagarse en el vació.

Después de esto, se siguieron realizando experimentos que indagaban sobre la naturaleza de la luz y todas las observaciones encajaban dentro de la teoría ondulatoria de la luz. Esto continuó así hasta el descubrimiento del efecto fotoeléctrico realizado por Hertz.

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por una superficie metálica expuesta a la luz. Las características de este fenómeno corresponden a un fenómeno corpuscular La explicación de este fenómeno la hizo el físico alemán, Albert Einstein.

LA NATURALEZA REAL DE LA LUZ

Debido a todas estas evidencias experimentales, Einstein consideró que la luz tiene una naturaleza dual. Esto quiere decir que en algunas ocasiones la luz se comporta como una partícula y otras veces se comporta cama una onda.

  • La luz se comporta como una onda cuando se propaga, es decir se refleja, se refracta y tiene interferencia de la misma manera que lo hacen las ondas sonoras.
  • La luz se comporta como un corpúsculo en la manera de transportar energía. La energía de la luz la conforman pequeñísimos corpúsculos llamados fotones.

LA LUZ VISIBLE Y LOS COLORES

El Sol y las estrellas producen radiaciones electromagnéticas que viajan a una velocidad de 300.000 km/s. Estas radiaciones, según la longitud de onda que tengan, se pueden clasificar como: ondas de radio, radiaciones infrarrojas (que nosotros también denominamos calor), luz visible, radiación ultravioleta, rayos x, rayos gamma y rayos cósmicos.

El conjunto de estas radiaciones constituye el espectro electromagnético.

La porción de las radiaciones que emite el Sol, es decir, del espectro electromagnético, que nosotros podemos ver está comprendida en la franja que denominamos luz visible o luz blanca. Esta mezcla de radiaciones puede descomponerse en siete colores fundamentales.

Esto puede comprobarse cuando la luz atraviesa un prisma de cristal o gotas de agua, en este último caso se produce la formación del arco iris.

La descomposición de la luz blanca se conoce como dispersión de la luz. Los siete colores fundamentales, en orden creciente de longitud de onda, son: violeta, índigo, azul, verde, amarillo, anaranjado y rojo.

La razón de este fenómeno se explicará con detalle en el siguiente tema.

Los colores que tienen las cosas que observamos se debe al siguiente hecho: cuando la luz blanca llega a una superficie, esta superficie absorbe todas las radiaciones de la luz blanca menos una o varias que son reflejadas. Según la longitud de onda de estas radiaciones se observará dicha superficie de uno u otro color. Así, los cuerpos negros absorben toda la radiación y no reflejan ninguna, los cuerpos blancos reflejan todo el espectro de luz blanca y, por ejemplo, los objetos que observamos de color rojo reflejan las ondas cuya longitud de onda corresponde al color rojo mientras absorben el resto.

LA VELOCIDAD DE LA LUZ

La velocidad de la luz es tan alta, que durante muchos años fue imposible conocer su valor preciso hasta el perfeccionamiento de las técnicas para su medición.

LAS MEDICIONES DE GALILEO

Galileo fue el primero en diseñar un método para determinar la velocidad de la luz. Su método consistió en colocar dos personas frente a frente, durante la noche, separadas una de otra por una distancia de aproximadamente 1 km Este experimento se desarrollaba así: Galileo descubría su linterna y la luz llegaba a su ayudante. Entonces el ayudante destapaba su linterna, cuya luz debería ser recibida por Galileo. Trataron de medir el tiempo transcurrido desde que Galileo descubría su linterna hasta que recibía la luz proveniente de la linterna del ayudante.

En principio, el método era adecuado, pero experimentalmente fallaba ya que el tiempo que la luz tardaba en recorrer esa distancia era muy pequeño comparado con el tiempo de reacción de los observadores.

LA ASTRONOMÍA Y LA VELOCIDAD DE LA LUZ

La primera medición exitosa de la velocidad de la luz fue hecha en 1675, por el astrónomo danés Olaf Roemer Para lograr esto, realizó observaciones minuciosas de lo que sucedía con una de las lunas de Júpiter: Io. Para medir el período de rotación de Io, utilizó el tiempo que tardaban en darse dos eclipses de ese astro. Es decir medía el tiempo que transcurría entre dos veces consecutivas que Io se ocultara detrás de Júpiter. Roemer encontró que este período era más largo cuando la Tierra, en su movimiento alrededor del Sol, se encontraba más lejos de Júpiter que cuando se encontraba más cerca.

La conclusión de esto era que la diferencia de tiempos correspondía al mayor tiempo que tardaba en Llegar la señal luminosa desde Júpiter ya que tenía que recorrer además la distancia correspondiente al diámetro de la órbita terrestre. De esta manera se comprobó por primera vez que la velocidad de la luz era finita. El valor encontrado por Roemer de esta manera fue de 230.000 km/s.

EL MÉTODO DE FIZEAU

En 1849, Luis Fizeau, un físico francés, fue el primero en determinar la velocidad de la luz por un método que no estaba relacionado con la astronomía. Su método consistía en medir el intervalo de tiempo que tardaba la luz en viajar desde algún punto hasta un espejo y regresar. Para ello, utilizó una rueda dentada .Buscó la velocidad de giro de la rueda que era necesaria para que un rayo de luz pasara por una abertura, y al reflejarse, pasara por la siguiente. De esta manera determinó que la velocidad de la luz era de 310.000 km/s. Nuevas mediciones se hicieron tras perfeccionar este método, con lo que se obtuvo un valor de la velocidad de la luz de 299. 997 km/s.

Taller de lectura 5:

  1. ¿De qué son responsables las características ondulatorias de la luz?
  2. ¿En qué forma de energía es transformada la luz solar?
  3. El planeta aprovecha la energía solar en forma de luz y calor. De dos ejemplos de procesos naturales que utilicen estas formas de energía.
  4. ¿Qué es la luz?
  5. ¿Cuáles son las características de la luz que permiten la visión?
  6. ¿Por qué la luz puede cambiar las propiedades de los cuerpos? De un ejemplo
  7. La energía luminosa puede transformarse en otros tipos de energía. Escriba tres ejemplos de estas transformaciones
  8. ¿De donde proviene la luz?
  9. ¿Qué son fuentes luminosas?
  10. Defina los tres tipos de fuentes luminosas
  11. ¿Qué son cuerpos transparentes, translúcidos y opacos?
  12. Defina las cuatro características que tiene la propagación de la luz
  13. ¿Cuál es la velocidad de la luz en el vacío?
  14. ¿En qué unidades se mide la distancia entre los astros? ¿A qué corresponde esta unidad? ¿A cuantos kilómetros equivale aproximadamente?
  15. Según los griegos, ¿Cómo estaba formada la luz? ¿Cómo era posible la visión?
  16. ¿Cuáles eran los planteamientos de Isaac Newton, christian Huygens, y Maxwell, frente a la concepción de la luz?
  17. ¿En qué consiste el efecto fotoeléctrico?
  18. ¿Cuál es el planteamiento de Einstein acerca de la luz?
  19. ¿Cuándo se comporta la luz como una onda y cuándo lo hace como un corpúsculo?
  20. ¿Qué tipo de radiaciones producen el sol y las estrellas y a qué velocidad viajan esas radiaciones?
  21. ¿Cómo se clasifican las radiaciones electromagnéticas, según su longitud de onda?
  22. ¿Qué nombre recibe el conjunto de radiaciones electromagnéticas?
  23. ¿Qué es la luz visible o luz blanca? ¿Cómo puede descomponerse esta mezcla de radiaciones?
  24. ¿Con qué nombre se conoce la descomposición de la luz blanca? ¿Cuáles son los 7 colores fundamentales que se forman?
  25. ¿A qué hecho se deben los colores que observamos? De ejemplos
  26. Describa brevemente los métodos usados por Galileo, Olaf Roemer y Luis Fizeau, para medir la velocidad de la luz.

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