IDEAS PREVIAS SOBRE LA LUZ

Área: FÍSICO-QUÍMICA Asignatura: FÍSICA Título IDEAS PREVIAS SOBRE LA LUZ Prof: BOHORQUEZ – MARTINEZ LARGHI – STRUM TAITZ –WALITZKY -IGNACIO D’ AMO...
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Área: FÍSICO-QUÍMICA Asignatura: FÍSICA

Título

IDEAS PREVIAS SOBRE LA LUZ

Prof: BOHORQUEZ – MARTINEZ LARGHI – STRUM TAITZ –WALITZKY -IGNACIO D’ AMORE – EZEQUIEL

Curso: 4TO AÑO Año: 2012

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Introducción A través del sentido de la vista, los seres humanos perciben la luz y obtienen así una enorme cantidad de información sobre el medio que los rodea. La óptica es la rama de la física que estudia la luz, como se emite, cuáles son sus características, cómo se propaga, la energía que transporta y las sensaciones que provoca. En el siguiente apunte abarcaremos brevemente algunos de los items anteriores. Comenzaremos intentando dar respuesta al siguiente interrogante ¿Qué es la luz?    

La luz consiste en ondas electromagnéticas, sensibles al ojo humano, que transfieren energía. Los cuerpos se pueden clasificar en luminosos cuando emiten luz e iluminados si la reflejan. Las fuentes luminosas pueden ser naturales o artificiales y en todas ellas la luz se transfiere al medio, luego de haberse producido una transformación de energía. Según su comportamiento frente a la luz los cuerpos iluminados se clasifican en trasparentes (dejan pasar la luz y permiten ver nítidamente), traslúcidos (permiten el paso de una parte de la luz, ej; vidrio esmerilado) y opacos (no dejan pasar la luz).

El Sol y todas las estrellas son fuentes naturales, mientras que las lamparitas, la linterna, la vela son fuentes artificiales porque son producto de la actividad humana. El Sol es una notable fuente de luz. El centro solar es un horno enorme, con elevada temperatura y presión, donde 630000000 de toneladas de hidrógeno se fusionan transformándose en helio a cada segundo. De esa cantidad de hidrógeno, 4600000 toneladas desaparecen convirtiéndose en energía y luz. Este proceso se llama fusión nuclear que es el que también acontece en las estrellas.

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Propiedades de la luz La luz se propaga en todas direcciones y en línea recta a una velocidad de 300000 km/seg en el vacío. Ej: Si entramos en un cuarto y prendemos la luz, todo el espacio se ilumina. Rayo luminoso: La línea que sigue la dirección de propagación de la luz se denomina rayo luminoso. Haz luminoso: Un conjunto de rayos luminosos que salen de una misma fuente constituyen un haz luminoso. Los haces luminosos pueden ser: * Divergentes: Cuando los rayos se separan. * Convergentes: Cuando se concentran en un punto. * Paralelos: Los rayos se propagan paralelos.

Haces divergentes

Convergentes

Paralelos

Sombras y penumbras Cuando una fuente luminosa pequeña denominada fuente puntual proyecta un haz de luz sobre una pantalla ilumina completamente una determinada zona. Si se interpone un cuerpo opaco entre la fuente y la pantalla, se observan dos zonas bien definidas. Una oscura adonde no llegan los rayos luminosos y que tiene la forma del objeto interpuesto, denominada zona de sombra y otra totalmente iluminada denominada zona de luz. Cuando los rayos luminosos se propagan en línea recta la forma de la sombra está determinada por los rayos tangentes al cuerpo que llegan a la pantalla. El tamaño de la sombra varía según la distancia a la que se encuentra el objeto de la pantalla y de la inclinación de los rayos luminosos.

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Si se coloca un objeto entre una pantalla y una fuente luminosa de grandes dimensiones vemos: Para más detalles entrar en: http://www.educaplus.org/play136-Sombra-y-penumbra.html

En este caso sobre la pantalla se distinguen tres zonas: Una de sombra, otra iluminada y entre ambas una tercera parcialmente iluminada llamada zona de penumbra. ¿Qué es realmente la luz?

Ideas previas sobre la luz La luz y los fenómenos relacionados con ella han intrigado a la humanidad desde hace más de 2.000 años. El hombre siempre se ha preguntado ¿qué es la luz?

I. LOS RAYOS TÁCTILES En tiempos anteriores a la antigua civilización griega, las ideas que se tenían sobre la naturaleza de la luz estaban llenas de misterio. Además, no se mantenían por mucho tiempo: desaparecían y regresaban en forma apenas diferente. Los antiguos griegos produjeron las primeras ideas útiles sobre la luz y, posiblemente por esto, se sostuvieron durante siglos. Los griegos no distinguían claramente la luz de la vista y basaban sus ideas sobre ambas en la hipótesis de los rayos visuales táctiles atribuida a Pitágoras. Según ésta hipótesis, el ojo emite rayos rectos infinitamente tenues que al ser interrumpidos por los objetos producen la sensación de ver. Estos rayos táctiles deberían ser rectos para explicar la propagación rectilínea de la luz; o sea, para explicar el hecho de que podemos ver a través de un sorbete sólo si éste es recto.

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La propagación rectilínea de la luz se puede demostrar con este sencillo experimento. La vela se ve por el sorbete sólo si está derecho.

La percepción por medio de esos rayos visuales sería, pues, análoga a la percepción táctil cuando utilizamos brazos y manos para discernir la forma y el tamaño de los objetos. Un objeto grande separaría más los rayos táctiles que un objeto pequeño y esta mayor separación angular de los rayos produciría en la mente la sensación de mayor tamaño del objeto más grande.

La hipótesis de los rayos visuales de Pitágoras suponía que éstos eran emitidos por los ojos y al ser interrumpidos por los objetos producían la sensación de ver. El tamaño de los objetos se percibía por la separación angular de los rayos interrumpidos.

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La hipótesis de los rayos táctiles explicaba también la aparente disminución de tamaño de un objeto al alejarse, ya que los rayos táctiles interrumpidos por el objeto formarían un ángulo menor y menor, hasta reducirse a cero, al alejarse el objeto del observador. Esto explicaría por qué las líneas paralelas que se alejan indefinidamente parecen converger en un punto; el que posteriormente se llamaría "punto de fuga" por los artistas del Renacimiento. Más aún, conforme a esta hipótesis la disminución del tamaño aparente estaría en la misma proporción que el aumento en la distancia; esto es, si la distancia aumentara dos veces, el tamaño aparente disminuiría también dos veces. Como esto es precisamente lo que ocurre al tamaño aparente al aumentar la distancia, la hipótesis de los rayos táctiles se veía apoyada por la experiencia; al menos por esta experiencia.

La hipótesis de los rayos visuales explicaba la disminución del tamaño aparente de un objeto que se aleja; la separación angular de los rayos interrumpidos se reduce al aumentar la distancia entre el ojo y el objeto. Por esto las líneas paralelas que se alejan indefinidamente parecen converger hacia un punto del horizonte que posteriormente se llamó "punto de fuga".

La hipótesis de los rayos táctiles era útil porque relacionaba matemáticamente el tamaño aparente y la distancia, y pudo emplearse en muchas actividades prácticas como el diseño y la proyección de obras de arquitectura o de ingeniería. Pero más importante para los griegos resultó su aplicación a la astronomía para calcular distancias y tamaños de cuerpos celestes; por ejemplo, para calcular el diámetro del Sol. Estas aplicaciones a la astronomía les permitieron formarse una idea del tamaño del Universo apoyada en observaciones y —sobre todo— apoyada en la geometría, que era la ciencia perfecta de la cultura griega. Todo esto debe haber contribuido a que la hipótesis de los rayos visuales táctiles fuera aceptada hasta por el mismo Euclides, el creador de la geometría, y que perdurara unos 1 500 años sin ser seriamente cuestionada.

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II. LOS RAYOS LUMINOSOS La teoría pitagórica de los rayos táctiles prevaleció más de 1 500 años. Esta larga vida de una teoría tan ingenua posiblemente se debió a la falta de una experimentación rigurosa que la pusiera a prueba, porque en realidad no resiste el menor cuestionamiento experimental. La hipótesis de los rayos táctiles que emanaban del ojo fue derrumbada de golpe por un extravagante científico árabe llamado Abu Ali ibn al-Hasan ibn al-Haitham, nacido en Basra, Irak, alrededor del año 965 d.C., fallecido en El Cairo, Egipto, el año 1039 y conocido después simplemente como Alhazán. Este singular personaje llegó a Egipto en 996 d.C., contratado por el califa Al-Hakim para controlar las inundaciones del río Nilo, cosa que Alhazán se jactaba públicamente de poder hacer sin gran dificultad. Incapaz, sin embargo, de cumplir su irreal promesa y justamente temeroso de la ira del califa, Alhazán fingió demencia, hasta el fallecimiento del califa el año de 1021, para evitar la pena de muerte por su fracaso. A pesar de sus problemas con el río Nilo y con el califa Al-Hakin, Alhazán pudo hacer un importante trabajo de investigación en la óptica, o ciencia de la luz. En su principal obra, titulada Kitab al-Manzir en árabe y traducida al latín como Opticae Thesaurus, Alhazán demuestra que la visión no puede deberse a rayos que partan del ojo al objeto, sino del objeto al ojo. De esta manera, distinguió claramente la luz del sentido de la vista. Un sencillo experimento que demuestra esto es el muy conocido de producir fuego enfocando por medio de una lupa la imagen del Sol sobre un papel . Si los rayos táctiles existieran, la imagen del Sol sobre el papel resultaría de rayos visuales que de alguna manera se habrían reflejado en el papel, pasado por la lente y alcanzado el Sol. El papel, por lo tanto, no debería quemarse si cerráramos los ojos o miráramos para otro lado mientras se mantiene la imagen enfocada. Pero el papel sí se quema si la lupa se mantiene a la distancia adecuada del papel, hagamos lo que hagamos; de manera que la imagen se forma por algo que llega del Sol, y no de nuestros ojos, al papel.

Otro experimento que también demuestra la existencia de la luz independientemente del sentido de la vista es la formación de imágenes en el sencillo instrumento llamado "cámara oscura". Este instrumento emplea un pequeño orificio para producir una imagen de un objeto externo sobre una pantalla colocada en un cuarto oscuro o en una simple caja de cartón. La imagen que se observa es siempre invertida y esto no se puede explicar con los rayos táctiles, porque el objeto podría verse sobre la pantalla, desde el

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interior de la cámara sólo si estos rayos se reflejaran en la pantalla y salieran por el orificio. De esta manera percibiríamos el objeto igual que si lo viéramos directamente; esto es, lo veríamos derecho y no invertido. Sin embargo, si suponemos que cada punto del objeto externo emite rayos rectos en todas direcciones, aquellos que partiendo de un punto en la parte superior del objeto pasaran por el orificio producirían un pequeño punto luminoso de la imagen en la parte inferior de la pantalla. La imagen completa estaría invertida, y esto es precisamente lo que se observa.

La cámara oscura forma sobre una pantalla imágenes invertidas de los objetos situados frente a su orificio. Esto demuestra que la hipótesis de los rayos visuales es falsa.

Sirviéndose de estos y de otros experimentos, Alhazán eliminó para siempre de la ciencia de la luz la hipótesis pitagórica de los rayos táctiles; aunque todavía usemos expresiones, como "echar una mirada", que nos la recuerdan. La suposición de que cada punto de un objeto luminoso o iluminado emite rayos rectos de luz en todas direcciones es la hipótesis principal de una teoría de la luz extraordinariamente fructífera que, hasta la fecha, se llama óptica geométrica. El nombre se debe a que en esta teoría la naturaleza de los rayos luminosos no se cuestiona; ni siquiera es importante. El propósito de la teoría es solamente entender, o predecir, lo que ocurre a los rayos emitidos por los objetos cuando son interceptados por diversos objetos opacos, como en la cámara oscura, o desviados de su camino recto de maneras que veremos mas adelante. Como para esto solamente es necesario aplicar conocimientos de geometría a cada problema, el nombre de la teoría es óptica geométrica.

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