COLEGIO CLARETIANO EL LIBERTADOR GUIA DE TRABAJO No1 TERCER PERIODO

FÍSICA GRADO UNDÉCIMO Correo electrónico:villamarinsoniaclaretianolib@gmail.com

Apreciados estudiantes bienvenidos a nuestra clase de Física, en este proceso sincrónico hemos establecido la siguiente meta:

Meta 1: consulta, indaga y argumenta temas como la naturaleza, velocidad y comportamiento de la luz a través de

hechos de la historia. También reconoce y aplica procesos para determinar índices y ángulos de refracción a través del

análisis de situaciones cotidianas en las cuales la luz cambia de medio.

Valoración: El trabajo de calidad en cuanto a comprensión, desarrollo y puntualidad, será evaluado

sobre 15 puntos distribuidos de la siguiente manera:

• 10 puntos guía de trabajo • 5 puntos evaluación de la guía.

No olvides enviar la actividad el próximo 15 de julio de 2020 con asunto: ÓPTICA, nombre y apellido,

CURSO.

LA LUZ Y ÓPTICA

La luz es esencial para casi todo en la vida en la Tierra. Por ejemplo, las plantas convierten la energía transferida por la luz

solar en energía química. Además, la luz es el principal medio por el cual es posible transmitir y recibir información hacia

y desde objetos situados en el entorno inmediato y en todo el Universo. La luz es una forma de radiación electromagnética

y representa transferencia de energía desde la fuente al observador. Muchos fenómenos de la vida diaria dependen de

las propiedades de la luz. Cuando usted observa una televisión a color o ve fotografías en la pantalla de computador, usted

ve millones de colores formados a partir de combinaciones de sólo tres colores que están físicamente en la pantalla: rojo,

azul y verde. El color azul del cielo diurno es resultado del fenómeno óptico de la dispersión de la luz por las moléculas del

aire, como lo son los colores rojo y anaranjado de los amaneceres y atardeceres. Usted ve su imagen en el espejo de su

baño en la mañana o las imágenes de los otros vehículos en el espejo retrovisor de un automóvil. Estas imágenes resultan

de la reflexión de la luz. Si usa anteojos o lentes de contacto, depende de la refracción de la luz para una visión clara. Los

colores del arco iris resultan de la dispersión de la luz conforme pasa a través de las gotas de lluvia que flotan en el cielo

después de una tormenta. Los fenómenos aquí mencionados han sido estudiados y comprendidos por los científicos. En

este inicio de tercer periodo y guía académica se analiza la naturaleza dual de la luz. En algunos casos, es mejor modelar

la luz como una corriente de partículas; en otros, un modelo ondulatorio funciona mejor.

ÓPTICA FÍSICA

En este primer paso sobre óptica, se presenta el PLAN LECTOR del periodo, el cual se pondrá en

discusión a través de los encuentros virtuales y se tendrá evaluación. En la lectura se revisaran los

fenómenos en los cuales la luz se comporta como onda y como partícula.

Actividad 1.

Los invito a realizar lectura detallada de las páginas 87 a 98 del libro guía, aclarar dudas a través de

las discusiones de clase y resolver el control de lectura que se encuentra en la plataforma:

Ícono: Ejercicios

Título: Plan lector Óptica Física.

Aproximación de un rayo en óptica geométrica

Si consideramos una fuente de luz puntual, el frente de onda producido es esférico y va aumentando su tamaño a medida

que la luz se propaga hasta iluminar todos los puntos que son alcanzados por esta. Para un observador que recibe la luz

emitida por la fuente, esta viaja hacia el en línea recta y su trayectoria denominada rayo de luz es perpendicular a los

frentes de onda.

Así el rayo de luz es simplemente una idealización estudiada por Isaac newton, a partir de la cual se describe el

comportamiento de la luz. Al estudio de la luz por medio de rayos se denomina Óptica geométrica (La óptica geométrica

es utilizada para la construcción de lentes que corrigen defectos del ojo, también se utiliza en instrumentos como el

telescopio, el microscopio, etc.)

La velocidad de la luz es la velocidad máxima permitida por las leyes de la física. En el vacío toma el valor 𝟑𝒙𝟏𝟎𝟖 𝒎

𝒔,

pero en otros medios puede ser menor.

La reflexión de la luz

El concepto de reflexión de ondas se introdujo en el estudio de fenómenos ondulatorios del segundo periodo. Como con

las ondas sobre cuerdas, cuando un rayo de luz que se desplaza en un medio encuentra una frontera con otro medio,

parte de la luz incidente se refleja: para ondas sobre una cuerda unidimensional, la onda reflejada necesariamente debe

restringirse a una dirección a lo largo de la cuerda; para ondas de luz que viajan en el espacio tridimensional, las ondas de

luz reflejadas pueden estar en direcciones distintas de la dirección de las ondas incidentes ( el efecto de reflexión de la luz

puede relacionarse con la dirección de rebote de una pelota cuando choca con una pared)

La figura anterior (parte izquierda) muestra varios rayos de un haz de luz incidente en una superficie reflectora lisa,

semejante a espejo. Los rayos reflejados son paralelos entre sí, como se indica en la figura. La reflexión de luz desde esta

superficie lisa se denomina reflexión especular.

Reflexión especular

Sucede cuando la superficie reflectora es pulida y permite que los rayos incidentes sean paralelos a los rayos reflejados.

Si la superficie reflectora es rugosa, como se ve en la parte derecha de la figura, la superficie refleja los rayos no como un

conjunto paralelo sino en varias direcciones. La reflexión desde cualquier superficie rugosa se conoce como reflexión

difusa.

Reflexión difusa.

Sucede cuando la superficie reflectora es muy rugosa, ocasionando deviación de los rayos reflejados.

La diferencia entre estas dos clases de reflexión explica por qué le es más difícil ver cuando circula en auto durante una

noche lluviosa. Si el pavimento está mojado, la superficie lisa del agua refleja en forma especular casi toda la luz de los

faros del auto y los aleja de éste (quizá hacia los ojos de conductores que circulan en sentido contrario). Cuando el

pavimento está seco, su superficie rugosa refleja en forma difusa parte de los rayos de luz de los faros, hacia el conductor,

lo cual permite ver con más claridad la carretera.

Ley de reflexión

Para estudiar el fenómeno de reflexión de la luz es importante considerar líneas geométricas que dan paso a la ley de

reflexión, esto es:

Considere un rayo de luz que viaja en el aire y que incide a un ángulo en una superficie plana y lisa, como se ve en la

siguiente imagen:

Los rayos incidente y reflejado forman ángulos 𝜃1 y 𝜃1´ , respectivamente, donde los

ángulos se observan entre la normal y los rayos. (La normal es una línea con trazo

perpendicular a la superficie reflectora espejo en el punto donde el rayo incidente cae.)

Experimentos y teoría muestran que el ángulo de reflexión es igual al ángulo de

incidencia.

𝐥𝐞𝐲 𝐝𝐞 𝐫𝐞𝐟𝐥𝐞𝐱𝐢ó𝐧 𝜃1 = 𝜃1´ el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión

EJERCICIOS DE APLICACIÓN DE LA LEY DE REFLEXIÓN EN

CONFIGURACIONES DE ESPEJOS PLANOS.

Algunos ejercicios ponen a prueba la comprensión de la ley de reflexión

en un juego de espejos planos, como sucede en diversos sistemas de

alarma con láser.

Para este tipo de problemas físicos vamos a considerar espejos planos

unidos de sus extremos y formando un ángulo determinado entre ellos.

Observa los siguientes ejemplos:

EJEMPLO 1 : La figura muestra 2 espejos planos que forman un ángulo de 50° entre sí, y la

trayectoria de un rayo de luz que se refleja en los espejos. Hallar el ángulo de reflexión β.

Solución. Observemos la imagen del ejercicio.

Para la solución debemos tener en cuenta lo siguiente:

1. La ley de reflexión: indica que el ángulo de

incidencia es igual al ángulo de reflexión.

2. La suma de ángulos internos de un triángulo es 180°

y de un polígono superior 360°

3. El rayo amarillo incide en el primer espejo y se

refleja, este rayo reflejado a su vez incide en el segundo

espejo y se refleja nuevamente con un ángulo β

En la siguiente imagen representamos el valor del ángulo reflejado en

el primer espejo, marcado con rojo, dando cumplimiento a la ley de

reflexión.

Ahora, debemos determinar el ángulo desconocido del triángulo

formado; para ello nos apoyamos en la relación de ángulos internos de

un triángulo que corresponde a 180°, por lo tanto hacemos la

siguiente operación:

180° = 60° + 50° + 𝛽

Despejamos 𝛽 obteniendo:

180° − 60° − 50° = 𝛽

𝛽 = 60°

Aplicando nuevamente la ley de reflexión tenemos que el ángulo de incidencia en el segundo

espejo es 60° y por ende el ángulo de reflexión

EJEMPLO 2

ACTIVIDAD 2

Dando provecho a la exposición anterior resolver en el cuaderno los siguientes ejercicios (no olvides

tener a la mano regla, compás y colores para distinguir rayos).

La figura muestra 2 espejos planos que

forman un ángulo de 60° entre sí, y la

trayectoria de un rayo de luz que se refleja

en los espejos. Hallar el ángulo “θ”

La figura muestra la trayectoria que sigue un

rayo luminoso después de incidir en un espejo,

Determine el ángulo que forman el primer

rayo incidente y el último rayo reflejado.

Refracción de la luz

Además del fenómeno de la reflexión explicado los rayos de luz experimentan el fenómeno de refracción cuando se

encuentran con un obstáculo penetrable. De igual modo, cuando un rayo de luz que se mueve por un medio

transparente encuentra y una frontera que lleva a otro medio de igual característica, parte de la energía se refleja y

parte penetra al segundo medio. El rayo que penetra al segundo medio se dobla en la frontera y se dice que se refracta.

Refracción de la luz: Cambio de velocidad y dirección de la luz cuando cambia de medio. Dichos cambios dependen de

las propiedades de los dos medios y del ángulo de incidencia.

A nivel matemático se tienen las siguientes relaciones:

Cuando la luz se mueve de un material en el que su rapidez es alta a un material en el que su rapidez es menor, el ángulo

de refracción es menor que el ángulo de incidencia, y el rayo se dobla hacia la normal. Si el rayo se mueve de un material

en el que la luz se mueve con más lentitud hacia un material en el que se mueve con más rapidez, el ángulo de refracción

es mayor que el ángulo de incidencia y el rayo se dobla alejándose de la normal. Esta descripción se puede apreciar en las

siguientes imágenes.

Índice de refracción

En general, la rapidez de la luz en cualquier material es menor que en el vacío. De hecho, la luz se desplaza a su máxima

rapidez en el vacío. Es conveniente definir el índice de refracción n de un medio como la relación.

El indice de refraccion se ha determinado experimentalemnet para diferentes materiales y se han cnstruido tablas con

estos valores.

LEY DE SNELL

PROBLEMAS DE APLICACIÓN DE LA REFRACCIÓN DE LA LUZ

EJEMPLO 1

Un rayo de luz, de 589 nm de longitud de onda, que viaja a través de aire, incide sobre

una lámina plana y uniforme de vidrio sin plomo con un ángulo de 30.0° con la normal.

a) Encuentre el ángulo de refracción

b) Encuentre la rapidez de esta luz una vez que entra al vidrio

SOLUCION.

a) Encuentre el ángulo de refracción

Identificamos la ley de Snell y despejamos 𝑠𝑒𝑛 𝜃2

Remplazamos datos de índices de refracción y ángulo 𝜃1y

resolvemos.

Como el ángulo se determina a través de función inversa, la

calculamos.

Teniendo que el rayo se refracta con un ángulo de 19,2°

b) Encuentre la rapidez de esta luz una vez que entra al vidrio

Para esta solucion consideramos la ecuacion del indice de refraccion

expuesta anteriormente, uego despejamos v

Luego reemplazamos los valores de la velocidad de la luz en el vacío

sbre el indice de refraccion del vidrio. Obteniendo asi que la velocidad

de la luz cuando viaja en el vidrio es 1,97𝑥108 𝑚

𝑠 , menor que la

velocidad de la luz en el vacío por la densidad del vidrio

EJEMPLOS 2

https://www.youtube.com/watch?v=jTGM9cE0V5o https://www.youtube.com/watch?v=IHCwUuZaKfY

ACTIVIDAD 3

c) Resuelve los ejercicios 4, 8, 12 y 13. Del libro guía página 82.

d) Pon a prueba tu conocimiento a través de la evaluación que se encuentra en la plataforma:

Ícono: Ejercicios

Título: Situaciones problema. Óptica Física.