lab. fis. iv (4) 18, 19 y 20.docx

1UNMSM - FCF LABORATORIO DE ÓPTICA

Experiencia Nº 18:Descomposición de la luz en un prisma

DESCOMPOSICION DE LA LUZ EN UN PRISMA Isaac Newton explicó correctamente que lo que se observaba era la refracción de la luz, la desviación de cada color por un ángulo diferente. Newton fue el que por primera vez realizó el experimento de descomponer la luz a través de un prisma, demostrando que la luz blanca esta formada por diferentes colores. Las gotas de lluvia son, en cierta manera, como diminutos prismas en el cielo.

En 1666 realizó el experimento de hacer pasar un haz de luz a través de un prisma.

Escribió entonces:

( ... me procuré un prisma de vidrio triangular, para examinar el celebrado Fenómeno de los colores. Y habiendo oscurecido mi habitación,y haciendo un pequeño agujero en la ventana, para dejar pasar una cantidad suficiente de luz del Sol, puse mi prisma en la entrada, a fin de que la luz fuera refractada en la pared opuesta").

Había encontrado que la luz blanca podía considerarse que estaba compuesta de una mezcla de luz de diferentes colores. Elimino la posibilidad de irregularidades en el prisma como una posible fuente de colores, combinando la luz con un segundo prisma para volver a obtener una imagen de la luz solar blanca.

Por lo tanto concluyó que:

(Y por lo tanto la verdadera causa de la longitud

de imagen detectada no era otra de que la Luz consistía en rayosde diferente propiedad de refracción)".

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Newton también observó un espectro continuo de la luz del Sol en 1666. Ese espectro es el mismo que se observa en un arco iris y en sólidos incandescentes en el laboratorio. La intensidad del espectro cambia lentamente con la longitud de onda.

Conclusión:

La dispersión se realiza por difracción, en este caso la luz se dispersa en una superficie especular de muchas líneas muy finas, el cual tiene mayor poder de dispersión que un prisma, por lo que permite una observación mas detallada de los espectros. En el cual el espectro es visible, es la porción del espectro electromagnético que es visible para el ojo humano. La longitud de onda se llama luz visible.En este espectro se divide los distintos colores, y no hay límites exactos en el espectro visible; un típico ojo humano responderá a longitudes de onda desde 400 a 700 nm, aunque algunas personas pueden ser capaces de percibir longitudes de onda desde 380 a 780 nm.Es necesario saber que la luz blanca contiene en distintas cantidades todos los colores del espectro y que cada color tiene su frecuencia asociada. Es bueno saber que el ojo humano es sensible solo a una pequeñísima parte del espectro y además necesita cierta amplitud de señal para poder ver dicha onda.

I. EjercicioEstudia la descomposición de la luz blanca (dispersión) al refractarse en un prisma.

II. Material Caja luminosa, halógena 12V/20W

Con 3 diafragmas de cierre herméticoCon 1 diafragma, 1/2 rendijas

Cuerpo óptico, trapezoidal Cuerpo óptico, ángulo recto Fuente de alimentación 3…12V - / 6V ~, 12V ~ Papel blanco Transportador de ángulos Regla

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AtenciónCuida que el cuerpo óptico trapezoidal no se mueva cuando se desplaza la caja luminosa.

III. Montaje Coloca sobre la mesa la hoja de papel en sentido apaisado. Traza dos líneas

perpendiculares en el tercio izquierdo de la hoja. Al punto de intersección lo denominamos M (figura 1).Haz una marca en la línea vertical a 6 cm por encima de M.

Marca un ángulo de 28° desde el punto de intersección M, y traza una línea auxiliar (figura 1).

Dobla hacia arriba la esquina superior derecha del papel. Formará una especie de pantalla.

Coloca el cuerpo trapezoidal (la cara mate hacia abajo) sobre la línea vertical, entre el punto M y la marca, como indica la figura 1. Dibuja el contorno del prisma.

Coloca la caja luminosa, con la parte de la lente, pero sin diafragma, oblicua por encima del cuerpo óptico.

Figura 1

Figura 2

IV. Realización Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación ( 12 V ~ )

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Desplaza la caja luminosa hasta que el borde inferior de la sombra del haz coincida con la línea auxiliar (figura 1).

Observa el haz refractado que sale del prisma formando franjas. Corrige, si es necesario, la posición de la caja luminosa girándola cuidadosamente.Su posición es correcta cuando el haz refractado se proyecta completamente coloreado sobre la pantalla, viéndose también el color violeta.

Tapa aproximadamente la mitad de la abertura de la caja luminosa, para que la luz salga sólo por la cara oblicua del prisma (figura 1).

Anota los colores que se ven en la pantalla. Introduce cuidadosamente desde abajo la punta del prisma en ángulo recto dentro

del abanico de colores del haz refractado (figura 2: 1). ¿Qué observas detrás de este prisma?Anótalo en la tabla 1.

Repite el mismo procedimiento, pero introduce en el haz la punta del prisma desde arriba (figura 2: 2).Anota de nuevo lo que observes en la tabla 1.

Quita el prisma en ángulo recto del papel. Coloca el diafragma de una rendija en la caja luminosa, en la parte de la lente. Desplaza la caja luminosa para que el haz de luz incida sobre el prisma paralelo a la

línea auxiliar, a 1 cm aproximadamente de ella. Marca el haz de luz incidente y el centro y los bordes del haz refractado. Anota en

la hoja de papel la posición de los colores. Desconecta la fuente de alimentación y quita el cuerpo óptico del papel. Traza, siguiendo las marcas, la trayectoria del haz de luz antes, dentro y detrás del

prisma.

V. Observaciones y resultados de las medidasColores en la pantalla:

SE observan que al pasar por un prisma la luz se dispersa en colores de arcoíris .este experiencia fue Uno de los descubrimientos de Newton es que la luz blanca está compuesta por diversos colores. Su experimento consistió en hacer pasar luz blanca del Sol, a través de u prisma de vidrio, observando que la luz que salía del otro lado del mismo se descomponía en los colores del arco iris. Este experimento indicaba que cada rayo de luz de color sufría una desviación o refracción distinta a la de otros colores al pasar por el prisma.

Tabla 1

Posición de la punta del prisma en ángulo

Observación

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recto

en la zona del rojo

en todo el haz

Se observa que desvia la

Se observa que desvía la dirección de los rayos

en la zona del azul

en todo el haz

Se observa que desvía la dirección de los rayos

VI. Evaluación

1. ¿Qué sucede con la luz blanca cuando atraviesa un prisma?Al hacer pasar la luz por un prisma de cristal, las distintas longitudes de onda que componen el haz de luz viajan dentro de él a diferente velocidad y se curvan de manera diferente al entrar y al salir (doble refracción al cambiar de medio) dando como resultado un haz desviado de la dirección inicial y con sus componentes separados. Así surge el espectro solar.Cada uno de los diferentes rayos de luz atraviesa el cristal con distinta velocidad y la velocidad media de la luz dentro del prisma es menor que en el vacío. La luz es una onda con un campo eléctrico oscilante que interfiere con las partículas cargadas que hay en la materia.

Las radiaciones visibles están comprendidas entre las siguientes longitudes de onda: desde 350 nm (nanometros) para el color violeta hasta 750 nm para el rojo.

Las gotas de agua suspendidas en la atmósfera también descomponen la luz y forman el arco iris.

Con ayuda de un prisma podemos analizar la luz blanca y los colores emitidos por los diferentes elementos: Na, C, He, etc. Podemos identificar y distinguir los elemento por los

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colores que emiten. Cada elemento tiene unos niveles energéticos permitidos por los que circulan los electrones. Los saltos entre estos niveles son los que dan los tipos de radiaciones -los colores- que lo identifican. Cada elemento tiene un espectro característico.

2. De qué color es la luz que más se ha refractado, y de qué color la que menos.

En el experimento se ha refractado:Mas sea refractado es: amarillo era más visibleMenos se ha refractado: el de color violeta

3. ¿Se pueden volver a descomponer los colores del espectro mediante un segundo prisma?Si este fenómeno, en el cual la luz blanca se separa en diversos colores, se denomina descomposición de la luz. Por lo tanto, al penetrar la luz blanca en el vidrio se descompone (o "dispersa") en los colores que la forman.

La separación de los colores es muy pequeña, y en ocasiones difícil de observar.

Se puede conseguir una descomposición más acentuada de la luz blanca si se hace pasar el haz por dos refracciones sucesivas. Esto sucede cuando se hace incidir un haz de luz blanca en un prisma de vidrio como el que se muestra en la figura. El haz sufre una descomposición al penetrar en el prisma y, nuevamente, al salir de él, lo cual provoca una mayor separación de los colores.

4. ¿Dónde puedes observar en la naturaleza fenómenos cromáticos similares?En el arcoíris.

Arcoiris

Al comenzar, dijimos que el arco iris es una consecuencia de la descomposición de la

luz.

Ahora, en explicación simple, diremos que un arco iris se forma cuando los rayos del

sol atraviesan las gotas de lluvia. La luz del sol está compuesta de todos los colores,

los cuales mezclados producen iluminación. Cuando la luz del sol penetra las gotas de

agua, se refleja en las superficies interiores. Mientras pasa a través de las gotas, la luz

se separa en sus colores que la componen, lo que produce un efecto muy similar al de

un prisma. Obviamente, esta dispersión se produce en todas las gotas que están

expuestas a la luz del Sol.

De modo más científico, el arco iris es un fenómeno óptico producido por la dispersión

de la luz del sol cuando se refracta y se refleja en las gotas de agua de lluvia. Éstas separan la luz solar según

sus componentes, originando un arco luminoso formado por los diversos colores del iris. El color rojo es el que

menos se refracta y se encuentra en la parte exterior del arco, transformándose, hacia el interior, en

anaranjado, amarillo, verde, azul, añil y violeta.

Este arco alcanza su máxima amplitud cuando el sol está en el horizonte. Puede también formarse cuando los

rayos solares son reflejados por la superficie del agua y proyectados hacia lo alto.

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El clásico arco

iris.


VII. Ejercicio complementarioTraza en la hoja de papel las normales, e intenta explicar, por lo que has observado en el haz estrecho y utilizando la ley de refracción, la trayectoria de la luz al atravesar un prisma. Se puede deducir de esta experiencia que los ángulos de refracción depende la frecuencia, La refracción se dará mientras más se inclinado este,(se dará la refracción total).

Experiencia Nº 19:Reunificación de los colores del espectro

I. EjercicioEstudia la posibilidad de reunificar la luz blanca, que ha sido descompuesta en un prisma.

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El conocimiento de que la luz del sol está compuesta de diferentes colores tuvo un significado histórico especial para explicar la percepción de colores. Al respecto Newton realizó numerosos experimentos:

Newton hizo el experimento acerca de la descomposición de la luz solar utilizando la luz blanca de una lámpara incandescente. Primeramente la luz blanca es descompuesta en sus componentes espectrales mediante un prisma de vidrio. Después se muestra que la luz ya descompuesta no puede ser descompuesta más con un segundo prisma. Si por una rendija detrás del primer prisma se deja pasar cada vez una componente espectral, entonces esta componente sólo es desviada por el segundo prisma sin ser descompuesta otra vez. Este hecho se verifica colocando dos prismas cruzados con sus bordes refractantes perpendiculares entre si. El espectro vertical detrás del primer prisma se desvía y se convierte en un espectro inclinado al pasar por el segundo prisma debido a que no experimenta descomposición alguna al pasar por el segundo prisma. A continuación se muestra la reunificación de los colores espectrales para obtenerse nuevamente luz blanca. Para ello se observa el espectro detrás del primer prisma a través de un segundo prisma paralelo al primero.Ahora veamos el experimento acerca del espectro de colores de una lámpara incandescente. En primer lugar se demuestra la reunificación del espectro a luz blanca con una lente condensadora. Al diafragmar gradualmente rangos individuales del espectro con un prisma muy angosto, sobre la pantalla se forman dos imágenes de la fuente, de diferentes colores, las cuales se solapan parcialmente. Los colores pueden ser variados desplazando lateralmente el prisma angosto. Si el rango de solapación es blanco, entonces al lado se verán cada vez los colores complementarios.

II. Material Caja luminosa, halógena 12V/20W

Con 3 diafragmas de cierre herméticoCon 1 diafragma, 1/2 rendijas

Cuerpo óptico, semicircular Cuerpo óptico trapezoidal Cuerpo óptico, planoconvexo, f = +100 mm Fuente de alimentación 3…12V - / 6V ~, 12V ~ Papel blanco Transportador de ángulos Regla

AtenciónCuida que el cuerpo óptico trapezoidal no se mueva cuando se desplaza la caja luminosa.

Figura 1

III. Montaje

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Coloca sobre la mesa la hoja de papel en sentido apaisado. Traza dos líneas perpendiculares en el tercio izquierdo de la hoja. Al punto de intersección lo denominamos M (figura 1). Haz una marca a 6 cm en la línea vertical por encima de M.

Marca un ángulo de 28° desde el punto de intersección M, y traza una línea auxiliar (figura 1).

Coloca el cuerpo trapezoidal sobre la línea vertical, entre en el M y la marca a 6 cm, como indica la figura 1.

Coloca la caja luminosa, con la parte de la lente, pero sin diafragma, oblicua por encima del cuerpo óptico (figura 1).

IV. Realización Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación ( 12V ~). Desplaza la caja luminosa hasta que el borde inferior de la sombra coincida

exactamente con la línea auxiliar (figura 1). Observa el haz refractado que sale del prisma formando franjas. Corrige, si es

necesario, la posición de la caja luminosa girándola cuidadosamente.Su posición es correcta cuando en el haz refractado se distinguen todos los colores, viéndose también el color violeta.

Tapa aproximadamente la mitad de la abertura de la caja luminosa, para que la luz salga sólo por la cara oblicua del prisma (figura 1).

¿Qué colores se observa? Anótalos en la tabla 1 (primera línea). Une las dos lentes convexas por sus caras planas y sitúalas en el haz refractado

abierto en abanico, como se ve en la figura 1: 2. Observa la trayectoria del haz refractado antes y después de pasar por la

combinación de lentes, y anótalo en la tabla 1. Suprime el color rojo del haz en abanico antes de que entre en las lentes,

utilizando, por ejemplo, una tira de papel. Observa la variación del color reunificado, y anota de nuevo lo que observes en la

tabla 1. Repite el proceso, pero suprimiendo ahora la zona azul del espectro antes de las

lentes.Obsérvalo y anota en la tabla 1.

Desconecta la fuente de alimentación, y quita los cuerpos ópticos del papel.

V. Observaciones y resultados de las medidasTabla 1.

Montaje experimental Observacióntrayectoria de la luz sin la combinación de lentes

Se observan 5 colores

combinación de lentes en la trayectoria de la luz

Se vuelve de color azul

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supresión de la zona del rojo

Se torna medio azulado

supresión de la zona del azul

Se torna medio anaranjado

VI. Evaluación1. ¿Qué sucede con la luz blanca cuando atraviesa

un prisma?

La luz blanca se refracta y en el rayo refractado, que es un haz en forma de abanico, se pueden observar franjas las cuales son de los colores que forman el espectro visible. Al descomponerse la luz en este abanico se observa una ligera desviación del haz refractado con respecto al haz entrante en el prisma.

2. ¿Qué cambios se producen cuando se hace pasar el haz abierto en abanico a través de una lente convexa?

Las franjas de colores que se aprecian en el rayo que sale de la lente convexa, o combinación de lentes convexas, se unifican a medida que el rayo se aleja de la lente. Es decir que a la salida de la lente convexa se observan algunos colores del espectro, pero a medida que el rayo se aleja de la lente se puede observar que la luz blanca aparece nuevamente.

3. ¿Por qué la percepción del color varía cuando se suprimen colores del espectro?

Porque el grado de dispersión del abanico de colores varía. Además, el rayo refractado varía de color debido a que el color suprimido afecta directamente a los colores que se puedan forman, es decir al color compuesto.

4. ¿Se pueden reunificar los colores de la luz?

Si y esto se apreció en esta experiencia a la salida del rayo de la combinación de lentes convexas. Al principio se observó algunos colores y luego se observó que los colores se unificaban en un solo rayo sin franjas de colores que era la luz blanca.

5. ¿Se puede volver a descomponer por dispersión un color compuesto, obtenido por supresión de uno de los colores del espectro?

No, porque como se vio en esta experiencia, al suprimir el color rojo obteníamos un rayo refractado con dos franjas de colores, una de color azul intenso y otra de color verde y si suprimimos cualquiera de estos colores solo se obtendría el otro color

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con lo cual no podríamos descomponer por dispersión un color compuesto si tuviéramos las mismas condiciones de esta experiencia

Experiencia Nº 20Mezcla aditiva de colores

La mezcla de colores que da lugar a infinitas tonalidades se puede lograr de dos maneras:

Mezcla aditiva: mezclando luces de colores procedentes de dos o más focos (cañones) sobre una pantalla blanca, obtenemos una mezcla aditiva. Pulsa aquí para utilizar un applet y realizar actividades de mezcla- o en este otro enlace para ver las proyecciones de varias luces contra una pared.Mezcla sustractiva: mezclando pigmentos (pinturas) que absorben una parte de la luz dejando rebotar el resto. Se obtiene una luz emergente formada como consecuencia de una mezcla sustractiva.

MÉTODO ADITIVO

1.- Los primarios aditivos.

Podemos dividir el espectro de la luz blanca en tres partes

iguales con los siguientes componentes:

Esto se puede lograr dispersando un haz de luz blanca con un prisma situado en el centro de curvatura de un gran espejo cóncavo.

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Al combinarse de nuevo sobre una varilla traslúcida de vidrio dan luz blanca.

Si colocamos una tarjeta de papel delante del espejo para impedir que parte de los colores se mezclen, sucede lo siguiente:

2.- La mezcla: colores complementarios

Thomas Young, a principio del siglo XIX, demostró que mezclando tres haces de luz que tengan frecuencias ampliamente separadas se puede generar un amplio abanico de colores.Cuando los colores de los tres haces que se combinan producen luz blanca, se llaman colores primarios.

Cuando mezclamos dos colores puros diferentes se obtiene otro color. Por ejemplo mezclando un haz rojo con uno verde obtenemos color amarillo.

Si sobre el color amarillo que hemos obtenido proyectamos color azul conseguimos una mezcla que resulta ser de color blanco.

Cada pareja de colores con los que se puede conseguir el blanco se llama pareja de colores complementarios.3.- Conclusiones

El ojo –y en última instancia el cerebro- no es capaz de analizar la composición del espectro luminoso , y no distingue si le llegan solamente radiaciones con la frecuencia del amarillo o una mezcla de radiaciones del rojo al verde que también percibe como amarillo.

En realidad un color "puro" es un conjunto muy grande de frecuencias próximas.

¡En realidad existen infinitos colores!

Se pueden elegir otros tres colores y mezclarlos en diferentes proporciones para obtener casi toda la gama de colores existentes.I. EjercicioEstudia qué colores compuestos se pueden conseguir combinando haces de luz de distintos colores.

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II. Material Caja luminosa, halógena, 12V/20W

con 3 diafragmas de cierre hermético Accesorio de la caja luminosa óptica para mezcla de colores

(2 soportes para espejos y 1 diafragma de puerta) Juego de filtros para mezcla de colores aditiva (rojo, azul, verde) Fuente de alimentación 3…12V - / 6V ~, 12V ~ Papel blanco

III. Montaje Dobla la hoja de papel por el centro, y levanta la mitad derecha hacia arriba, como

pantalla (figura 1). Coloca un soporte para espejos en un lateral de la caja luminosa, y la caja luminosa

con la parte de la lámpara a unos 22 cm de la arista doblada del papel, como se ve en la figura 1.

Fíjate que el lateral de la caja luminosa que queda sin espejo y la parte posterior de la caja luminosa (parte de la lente) tienen que estar cerrados con los diafragmas herméticos.

Figura 1 Figura 2

IV. Realización Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación ( 12V ~ ) Coloca en el foco delantero el filtro rojo y el diafragma de puerta, y en el foco

lateral (soporte del espejo) el filtro verde. Observa la superposición de los haces de color, ¿qué color compuesto resulta?

Anota lo que observes en la tabla 1. Repite este paso combinando los filtros verde-azul y azul-rojo. Anota los colores

compuestos. Modifica el montaje según la figura 2, colocando el segundo soporte para espejos

en el otro foco lateral. Coloca en el foco delantero el filtro azul y el diafragma de puerta, y en los focos

laterales los filtros verde y rojo. Acerca y aleja la caja luminosa de la pantalla, hasta que se observe en ella el mayor

número de colores compuestos. Anota en la tabla 1 los colores compuestos que aparecen en la pantalla. Tal como está el montaje, introduce una varilla en los haces de distinto color, a

unos 8 cm de la pantalla. Describe las sombras que observas.

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Desconecta la fuente de alimentación.V. Observaciones y resultados de las medidas

Tabla 1COLOR DE LOS

FILTROS COLOR COMPUESTO OBSERVADORojo y verde Amarillo

Azul y verde Cian

Rojo y azul Púrpura

Rojo, verde y azul

Blanco

Descripción de las sombras en las zonas de los siguientes colores:

Púrpura: es un color complementario, que se obtuvo de la intersección de los rayos de luz rojo y azul.

Cián: Para obtener cian hay que superponer luz verde y luz azul.

Blanco: Para crear el blanco, se mezclan los tres colores primarios en su máxima intensidad, como el rojo, verde y azul.

VI. Evaluación1. El color amarillo se puede obtener mezclando (adición) dos haces de luz de color. ¿Qué

colores se pueden emplear?

El amarillo es un color secundario, los colores primarios son el rojo, el verde y el azul; para obtener amarillo hay que superponer luz roja y luz verde. Opcionalmente, podemos partir de la luz blanca, que contiene a todos los otros colores, y filtrar el azul, entonces quedará solo la combinación de rojo y verde: amarillo.

2. Hay un color que no se encuentra en el espectro (arcoíris), pero se puede obtener por adición de haces de luz de color. ¿De qué color se trata, y de qué color son los haces de luz que intervienen?

El espectro (arcoíris) está conformado por los colores: rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta. El color blanco está constituido por la superposición de los colores rojo, azul y verde.

3. ¿Qué impresión de color se produce cuando se superponen los haces rojo, verde y azul?¿Qué conclusiones se pueden deducir?

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Al superponer estos colores se da la impresión de obtenerse el color blanco, esto debe a que la luz blanca está compuesta por una serie de colores, cada uno de los cuales se caracteriza por una longitud de onda determinada, que son: el rojo, el naranja, el amarillo, el verde, el azul, el añil y el violeta. De ellos, el rojo es el que tiene la longitud de onda mayor y el violeta la menor. Sin embargo, todos estos colores no están nítidamente divididos entre sí sino que forman un espectro continuo.

4. Completa la estrella de colores (figura 3) pintando de rojo, verde y azul las puntas 1, 3 y 5 (se denominan también colores primarios para adición de colores), y en las puntas intermedias los colores compuestos resultantes.Figura 3

5. La imagen de la televisión en color se compone de unos 900 000 bastoncillos rojos, verdes y azules. Se pueden ver con una lupa. Estos bastoncillos se reúnen en grupos (tripletes de color) y, entre otras cosas, su brillo varía 25 veces por segundo de muy oscuro (negro) a muy claro.¿Cómo se podría producir, por ejemplo, la impresión de amarillo (imagen en color de un paisaje desértico)?

El ojo percibe la mezcla de los colores como si se tratara de un solo color. Entonces para obtener el color amarillo, tendrían que intersectarse bastoncillos de color rojo con los de color verde.

Así, cuando percibamos la luz amarilla es porque en su constitución predominan el rojo y el verde y aunque a nuestros ojos no ha llegado ninguna longitud de onda que corresponda a ese color se produce la sensación de color amarillo.

Intenta explicar lo que has observado en la formación de sombras de luz de color.Eligiendo adecuadamente tres colores y mezclándolos en diferentes proporciones, podemos obtener casi toda la gama de colores existentes. Los colores rojo, verde y azul reciben el nombre de colores primarios.

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En la imagen podemos observar las combinaciones : cian donde no llega la luz roja originada por la mezcla de las luces verde y azul, amarilla donde no llega la luz azul originada por la mezcla de las luces roja y verde, y púrpura donde no llega la luz verde originada por la mezcla de las luces roja y azul.

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