Unidad 10. Luz y color
¿Se ve?
“Los cuerpos no tienen un color propio sino que siempre aparecen del color de la luz proyectada sobre ellos...”
Isaac Newton
10.1. Conceptos previos
- Movimiento ondulatorio.
- Tipos de ondas.
- Parámetros de las ondas
10.2. Objetivos
- Que el/la alumno/a conozca el concepto de índice de refracción.
- Que el/la alumno/a conozca el concepto de ángulo límite.
- Que el/la alumno/a comprenda el fenómeno de reflexión total interna.
- Que el/la alumno/a conozca el concepto de espectro visible.
- Que el/la alumno/a comprenda el fenómeno de dispersión de la luz.
10.3. Criterios de Evaluación
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Tema I. Luz
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1. Puedo definir el concepto de índice de refracción.
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2. Puedo definir el concepto de ángulo límite.
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3. Puedo explicar el fenómeno de reflexión total interna.
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Tema II. Color
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1. Puedo definir el concepto de espectro visible.
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2. Puedo definir el fenómeno de dispersión.
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3. Puedo explicar a qué se debe el color de los cuerpos.
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10.4. Materiales
Pelota, puntero láser, linterna, recipiente transparente con agua, polvos de talco, espejo, fibra óptica, prisma, rueda de Newton.
10.5. Explicación
¿Se ve?
Durante muchos siglos se discutió acerca de la naturaleza ondulatoria de la luz.
Entonces no se conocían más que las ondas mecánicas, y, si estas necesitaban un medio para su propagación, ¿cómo justificar que nos llega la luz del Sol, si esta estuviera formada por ondas?
Era difícil comprobar las características ondulatorias de la luz, ya que los fenómenos de reflexión y refracción también los cumplen las partículas.
Si lanzamos una pelota contra el suelo, esta rebotará verificando las leyes de la reflexión:
¿La pelota se refleja contra el suelo?
Si lanzamos una pelota contra la superficie de un estanque, el cambio en la velocidad de su movimiento hará que se desvíe:
¿La pelota se refracta?
Tuvieron que pasar, como hemos dicho, muchos siglos de discusión hasta que se consiguieron comprobar algunas propiedades típicamente ondulatorias, como las interferencias.
Pero, vamos por partes…
Si la luz es una onda, ¿de qué tipo de onda se trata?
La luz es una onda transversal que no necesita un medio para su propagación. Y además, en el vacío se propaga con una velocidad de… ¡300.000 kilómetros por segundo! En cualquier otro medio, la luz se propaga con una velocidad menor, de forma que, cualquier medio transparente (agua, vidrio…) podemos caracterizarlo por su índice de refracción: la relación entre la velocidad de propagación de la luz en el vacío y la velocidad de propagación de la luz en dicho medio.
Como buena onda que es, la luz cumple las leyes de la reflexión y la refracción.
Además, su propagación en línea recta hace que podamos representar su trayectoria mediante líneas, rayos, como ya hemos comentado con anterioridad.
Pero me gustaría comentar una situación particular muy interesante.
Supongamos que buceamos por la piscina, de noche, con una linterna (una situación muy habitual, supongo); y dirigimos la linterna hacia la superficie del agua.
El rayo de luz emerge del interior de la piscina.
Como la luz viaja más rápidamente en el aire que en el agua, el rayo refractado se desvía alejándose de la normal, de forma que, si voy inclinando la linterna, llegará un momento en el que el rayo refractado viajará paralelo a la superficie del agua. Este ángulo de incidencia recibe el nombre de ángulo límite.
Al aumentar el ángulo de incidencia, el de refracción también lo hace.
Si sigo inclinando la linterna un poco más, resultará que la luz no se refracta. El haz de luz es totalmente reflejado.
A partir de un cierto ángulo de incidencia, ¡no se produce refracción!
Este fenómeno se denomina reflexión total interna, y es el principio de funcionamiento de la fibra óptica:
La fibra óptica transmite una señal luminosa sin pérdidas.
¿Cómo se consigue esto?
En la fibra óptica, la luz tiene que entrar con un ángulo de incidencia tal que garantice que se produzca el fenómeno de reflexión interna total.
¡Sin duda es una onda!
Como ya adelantábamos, durante siglos se mantuvo la discusión, iniciada por Newton y Huygens, sobre la naturaleza de la luz.
Para Newton, todas las propiedades observables de la luz se podían explicar recurriendo a un modelo de partículas (corpúsculos) muy pequeñas que viajaban a una gran velocidad. Mientras tanto, Huygens no conseguía comprobar alguna propiedad ondulatoria, como las interferencias.
Como ya habíamos comentado, para que se produzcan interferencias deben superponerse dos ondas de idéntica frecuencia.
La discusión fue zanjada por Young, más de un siglo después, con su experimento de la doble rendija. Seguramente pensando que, para conseguir ondas idénticas, ¡lo mejor era sacarlas del mismo foco! Y así consiguió producir interferencias.
Una experiencia aparentemente muy simple zanjó siglos de discusión.
Pero… ¿y si te digo que la física moderna considera que la luz puede comportarse en ocasiones como partícula y en ocasiones como onda?
Color
En unidades anteriores hemos comentado que una de las características de las ondas es su frecuencia. Percibimos las ondas sonoras como sonidos graves o agudos, dependiendo de su frecuencia. En el caso de la luz, las distintas frecuencias las percibimos como distintos colores. Aunque no podemos ver todas las frecuencias (espectro) sino solamente una fracción de las que existen. Podemos ver únicamente aquellas frecuencias que se corresponden con los colores comprendidos entre el rojo y el violeta.
Esta franja de frecuencias que podemos percibir se denomina llama espectro visible.
Infrarrojo Ultravioleta
La mezcla de todos estos colores (frecuencias) da como resultado luz blanca. Y viceversa: si descomponemos la luz blanca, utilizando por ejemplo, un prisma de vidrio, obtendremos todos los colores del espectro.
Descomposición de la luz blanca en colores.
Esta descomposición la observamos en la naturaleza, en forma de bello fenómeno meteorológico. El arco iris es el resultado de la descomposición de la luz del sol en las gotitas de agua de lluvia, que actúan como minúsculos prismas.
Este fenómeno se denomina dispersión.
¡Seguramente lo habrás observado en otras situaciones!
10.6. Actividades de generalización
Los alumnos prepararán una presentación (utilizando como herramientas PowerPoint o Prezzi, por ejemplo) en la que plasmarán las ideas principales expuestas buscando imágenes en Internet o creando sus propias imágenes. Cada alumno expondrá al resto del grupo su presentación. Los demás alumnos aportarán sugerencias y rectificarán posibles errores con ayuda del profesor.
Así mismo, generarán sus propios ejemplos en los que aparezcan los conceptos y fenómenos trabajados.
