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fecha de publicación25.12.2015
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EL MEDIO NATURAL I. FÍSICA, QUÍMICA Y SU DIDÁCTICA

  • UN LÁPIZ PARCIALMENTE SUMERGIDO EN AGUA SE VE DOBLADO -

REALIZADO POR:

NURIA FERNÁNDEZ RIVERA

BEATRIZ FERNÁNDEZ BURGUILLO

GRUPO B – 14

3º B DE EDUCACIÓN PRIMARIA

ÍNDICE TEMÁTICO

INTRODUCCIÓN………………………………………………………….……………………………2

NATURALEZA DE LA LUZ: ANÁLISIS HISTÓRICO…………………………………………2

TEORÍA CORPUSCULAR DE LA LUZ…………………………………………………………….3

TEORÍA ONDULATORIA DE LA LUZ…………………………………………………………….4

DOBLE NATURALEZA DE LA LUZ………………………………………………………………..6

PROPAGACIÓN RECTILÍNEA DE LA LUZ………………………………………………………7

ÍNDICE DE REFRACCIÓN…………………………………………………………………………….8

REFLEXIÓN DE LA LUZ……………………………………………………………………………….9

REFRACCIÓN DE LA LUZ………………………………………………………………………….10

CONCLUSIÓN………………………………………………………………………………………….14

BIBLIOGRAFÍA Y WEBGRAFÍA………………………………………………………………….14

UN LÁPIZ PARCIALMENTE SUMERGIDO EN AGUA SE VE DOBLADO

  1. INTRODUCCIÓN

En el siguiente trabajo que se presenta, demostramos el por qué cuando una persona introduce un objeto dentro de agua, o el objeto se encuentra dentro de esta se ve quebrado, doblado o en otra posición.

Nuestro sentido de la vista se basa en la suposición de que la luz sigue siempre trayectorias rectas. Cuando nos miramos en un espejo o cuando observamos el fondo de un río, nuestros ojos y nuestro cerebro no perciben que la luz se ha desviado, y registramos imágenes que son ilusión y no corresponden exactamente a la realidad.

Hemos estudiado y analizado cómo se propaga la luz, cómo se refleja y refracta, cómo se desvía al pasar de un medio a otro, y los fenómenos relacionados con su dispersión.

Para ello ha sido necesario hacer hincapié en otros contenidos relacionado con esta temática para su mejor comprensión, como se demuestra a continuación.

  1. NATURALEZA DE LA LUZ: ANÁLISIS HISTÓRICO

Aunque ya en el mundo clásico se conocían algunas propiedades de la propagación de la luz – por ejemplo, se atribuye a Euclides (siglo III a. C.) el descubrimiento de las leyes de la reflexión – es a partir del siglo XVII cuando se construyen instrumentos ópticos (lentes, telescopio de Galileo, etc.), se producen las primeras aportaciones de la

Óptica, debidas a Snell, Descartes o Fermat, y aparecen las primeras ideas científicas sobre la naturaleza de la luz.

En su tratado Dioptrica, publicado en 1637, René Descartes (1596 – 1650) enuncia su Teoría Corpuscular de la Luz, alegando que los cuerpos luminosos emiten partículas pequeñas de luz que se mueven en línea recta a gran velocidad.

En 1671, Isaac Newton (1642 – 1727) hace suya esta teoría y la amplía, al explicar fenómenos como la coloración de láminas delgadas y la dispersión de la luz.

En 1690, Christian Huygens (1629 – 1695) establece, en su Traité de la lumière, que la luz tiene una naturaleza ondulatoria y se propaga por medio de pequeñas ondas longitudinales semejantes a las ondas sonoras. Según su teoría, las ondas luminosas utilizan como soporte un medio elástico que llena todo, al que llama éter lumínico.

Se establece así una controversia que va a durar más de dos siglos y que es probablemente la más apasionante de la Historia de la Ciencia.

  1. TEORÍA CORPUSCULAR DE LA LUZ

Debido al gran prestigio de Newton y a la sencillez de sus ideas, la Teoría Corpuscular contó con el apoyo de la mayor parte de los científicos de la época. Explicaba la propagación rectilínea de la luz, la formación de sombras bien definidas, la propagación en el vacío, los fenómenos de reflexión y refracción y la existencia de diferentes colores.

Según esta teoría, los corpúsculos luminosos, al chocar con la retina del ojo, producen la visión y, debido a su pequeña masa y a su gran velocidad, se propagan en línea recta.

Los distintos colores de la luz se deben a la existencia de corpúsculos luminosos de diferentes masas. Cada tipo de corpúsculo es responsable de un color.

La reflexión se produce como consecuencia de los choques elásticos de las partículas de la luz con la superficie de los objetos iluminados. Si no existen rozamientos, la componente de la velocidad de la partícula tangente a la superficie del objeto no varía, pero la componente normal a la superficie se invierte debido a la enorme diferencia de masa entre las partículas de la luz y el objeto, siendo el ángulo de incidencia igual al ángulo de reflexión.

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En la refracción, para explicar el cambio de velocidad que tiene lugar en la superficie de separación de ambos medios, es necesario admitir la existencia de fuerzas que actúan entre las partículas de la luz y la materia. Por ejemplo, en las superficies aire-agua o aire-vidrio, según Newton, aumenta la componente normal de la velocidad, mientras que la componente paralela permanece constante. En consecuencia, la velocidad de la luz debería ser mayor en el vidrio o en el agua que en el aire.

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  1. TEORÍA ONDULATORIA DE LA LUZ

El matemático y astrónomo holandés Christian Huygens, contemporáneo de Newton, basándose en los trabajos previos de Robert Hooke, propone que la luz se compone de minúsculas ondas del mismo tipo que el sonido. Como necesitan un medio material para propagarse, supone la existencia de un medio ideal, el éter lumínico, que llena todo, incluso el vacío.

Explica las leyes de la reflexión y de la refracción de la luz y las interferencias luminosas. Al explicar la refracción de la luz llega a una fuerte discrepancia con la teoría corpuscular; por aplicación del Principio de Huygens se deduce que la velocidad de la luz es menor en el agua o en el vidrio que en el aire.

Newton rechazó la Teoría Ondulatoria de la Luz al no existir pruebas de su difracción, ya que si la luz fuera una onda debería flexionarse bordeando los obstáculos, su trayectoria no sería rectilínea y no existirían zonas nítidas de sombras. Debido a su gran prestigio y al rechazo dogmático de sus discípulos, esta teoría fue olvidada durante más de cien años, incluso cuando la propagación rectilínea de la luz y los fenómenos de difracción quedaron plenamente justificados por la pequeña longitud de onda de las ondas luminosas.

En el siglo XVIII, J. Bernouilli sostiene que las oscilaciones de las ondas de luz son periódicas y pendulares, y L. Euler descubre que el color depende de la frecuencia de las vibraciones.

Sin embargo, es en la primera mitad del siglo XIX cuando se producen varios hechos que propician el resurgir de la Teoría Ondulatoria. Los experimentos de Thomas Young, en 1801, sobre interferencias luminosas y los de Agustín Fresnel, en 1815, sobre fenómenos de difracción, demuestran la naturaleza ondulatoria de la luz. Fresnel explica también la polarización de la luz considerando que las ondas luminosas son transversales y por fin, en 1850, Foucault demuestra que la velocidad de la luz es menos en el agua que en el aire.

Sin duda, Huygens estaba en lo cierto, pero habían transcurrido casi doscientos años.

Persistía, sin embargo, una importante contradicción: la necesidad de suponer la existencia del éter lumínico, que debía ser sólido para transmitir las ondas transversales de la luz y enormemente rígido para hacerlo a tan gran velocidad, y al mismo tiempo debería ser muy tenue para no oponer resistencia alguna al movimiento de los cuerpos.

Esta dificultad fue definitivamente superada cuando Maxwell, en el año 1865, demuestra que la luz es una onda electromagnética que se propaga en el vacío sin necesidad de un soporte material a 3 · 108 m s-1 como el resto de las ondas electromagnéticas. Por último, en 1887, H. Hertz generó ondas electromagnéticas que ahora conocemos como ondas de radio.

La Teoría Ondulatoria de la luz parece triunfar definitivamente y es aceptada universalmente.

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  1. DOBLE NATURALEZA DE LA LUZ

Aunque a finales del siglo XIX se establece definitivamente el carácter ondulatorio de la luz, el estudio de su naturaleza no está terminado, es incompleto.

En el año 1900, Lenard observó que cuando un haz de luz de frecuencia adecuada incide sobre algunas superficies metálicas se expulsan electrones. Este hecho se conoce como efecto fotoeléctrico (que ya hablamos de él en el trabajo sobre el modelo atómico de Bohr).

En el año 1905, Einstein explica el efecto fotoeléctrico suponiendo que la energía de las ondas luminosas se concentra en pequeños paquetes, cuantos de energía, llamados fotones que según Planck tienen una energía.

Pero este hecho significa, en cierta medida, una vuelta a la Teoría Corpuscular y desde luego no puede explicarse otorgando a la luz una naturaleza ondulatoria. A principios del siglo XX vuelve a plantearse el viejo dilema: ¿la luz es de naturaleza ondulatorio o corpuscular?

Parece fuera de toda duda que ciertos fenómenos, los que implican una interacción entre la luz y la materia (efecto fotoeléctrico y otro fenómeno denominado efecto Compton), sólo pueden explicarse mediante una teoría corpuscular (cuántica) de la luz; por otra parte, los fenómenos de interferencia, difracción, polarización, etc. sólo pueden describirse aceptando la Teoría Ondulatoria.

Hay que admitir, por tanto, que la luz se comporta como si tuviese una doble naturaleza, aunque en ningún fenómeno concreto manifieste simultáneamente este carácter dual. En un fenómeno dado se comporta bien como onda, bien como partícula.

Veamos un ejemplo mucho más sencillo: una moneda está formada por la cara y la cruz. Aunque en un momento determinado sólo podamos ver una de las dos, una no existe sin la otra; se necesitan las dos para entender lo que es una moneda. Lo mismo le pasa a la luz con su naturaleza corpuscular y ondulatoria; ambas, siendo complementarias, forman lo que conocemos como luz.

El carácter dual de la luz no es un hecho extraordinario. La mente humana, para entender las cosas, necesita una visión intuitiva de los hechos; le es imprescindible un modelo. Pues bien, tratándose de la luz, y no sólo para ella, un modelo único no es suficiente para interpretar su comportamiento total y necesitamos dos modelos absolutamente diferentes.

  1. PROPAGACIÓN RECTILÍNEA DE LA LUZ

La luz es una onda electromagnética; sin embargo, muchos aspectos de las ondas luminosas se pueden comprender sin considerar su carácter electromagnético. En efecto la luz se propaga según líneas rectas a las que llamamos rayos. Un rayo es una línea imaginaria dibujada en la dirección en la cual se propagan las ondas que es perpendicular a los vectores que definen el campo eléctrico y el campo magnético de la onda.

La óptica geométrica estudia el comportamiento macroscópico de la luz aplicando el concepto de rayo.

La luz viaja en línea recta con velocidad constante en un medio homogéneo e isótropo: las faros de un coche, el haz luminoso de una linterna en la noche, los eclipses de Sol y de Luna o la formación de sombras nos indican que la luz se propaga en línea recta. A estas líneas rectas las llamamos rayos.

Otro ejemplo de la propagación rectilínea de la luz es la formación de sombras y penumbras.

Los eclipses de Sol y de Luna son otro ejemplo de la propagación rectilínea de la luz.

En el eclipse de Sol, al entrar una región de la Tierra en el cono de sombras producido por la Luna cuando está entre el Sol y la Tierra, se produce un eclipse total de Sol. Para las regiones de la Tierra que se encuentran en la zona de penumbra, el eclipse de Sol es parcial.

Si la Tierra se interpone entre el Sol y la Luna se produce el eclipse de Luna, que será total si la Luna está íntegramente en el cono de sombra proyectado por la Tierra, y parcial cuando sólo parte de la Luna se encuentre en la zona de sombra.

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  1. ÍNDICE DE REFRACCIÓN

La velocidad de la luz no es siempre la misma, ya que depende del medio transparente en el que se propague.

Se denomina índice de refracción absoluto de un medio material a la relación entre la velocidad de la luz en el vacío c y la velocidad en dicho medio v:

n = c/v

Como la velocidad de la luz es menor en cualquier medio material que en el vacío, los índices de refracción absolutos son mayores que la unidad.

El índice de refracción depende de las características físicas de cada medio y determina algunas propiedades de los materiales transparentes; por ejemplo, los diamantes tienen un brillo intenso porque su índice de refracción es muy elevado.

Si un medio tiene un índice de refracción absoluto mayor que otro, se dice que es más refringente que él.

En índice de refracción de un material depende de la longitud de onda de la luz utilizada.

En el vacío, la velocidad de la luz es la misma para las distintas longitudes de onda, pero no ocurre lo mismo cuando la luz se propaga en un medio material. En efecto, en cualquier otro medio la velocidad de la luz depende de la longitud de onda. Cuando la luz se propaga en un medio material la frecuencia no varía, se mantiene constante. La frecuencia de una onda luminosa viene determinada por su fuente y no es afectada por el medio. Por tanto, como v = λ ƒ, si cambia la velocidad es porque varía la longitud de onda.

Si hallamos λ0 a la longitud de onda de una radiación luminosa en el vacío, c a su velocidad y ƒ a su frecuencia, se cumple:

λ0 = c/ ƒ

Al propagarse en un medio material a la velocidad v, como su frecuencia no varía, la longitud de onda λ será:

λ = v/ƒ = c/nƒ = λ0/n ; n = λ0

y como n > 1, la longitud de onda será menor que en el vacío.

Para comparar la velocidad de la luz en dos medios distintos, cuyos índices de refracción absolutos son n1 y n2, se emplea el índice de refracción relativo n2,1 del medio 2 respecto al 1.

Los índices de refracción en dos medios distintos son inversamente proporcionales a las velocidades de la luz en esos medios y a las longitudes de onda.

Cuando un medio tiene mayor índice de refracción absoluto que otro, la luz se propaga en ese medio a menor velocidad y su longitud de onda es más pequeña.

  1. REFLEXIÓN DE LA LUZ

Cuando una onda incide sobre la superficie de separación de dos medios transparentes distintos, una parte se refleja, vuelve al mismo medio en que se propagaba, y otra parte pasa al segundo medio, en donde se transmite y se absorbe parcialmente. La luz, que es una onda, se comporta de igual forma. La luz que se refleja cambia de dirección pero conserva la misma velocidad. La luz que se propaga en el segundo medio cambia de dirección y de velocidad: es la refracción de la luz.

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Consideremos un foco luminoso y uno de los rayos emitidos por el foco que incide sobre una superficie metálica pulida. El ángulo i, que forma el rayo incidente con la normal N a la superficie en el punto de incidencia, se denomina ángulo de incidencia, y el ángulo r, que forma el rayo reflejado con la normal, se llama ángulo de reflexión.

Experimentalmente se comprueban las Leyes de Snell de la reflexión:

  • El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran en el mismo plano.

  • El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

La reflexión de la luz sobre una superficie pulida, un espejo, se denomina reflexión regular o especular. Si la superficie es irregular, no pulida (rugosa), también se produce la reflexión, pero los rayos reflejados no tienen una dirección única, salen en todas direcciones; es lo que se conoce como reflexión difusa o irregular. Las superficies no pulidas tienen irregularidades orientadas en diferentes direcciones y difunden la luz incidente, lo que hace posible que la superficie se vea.

Todos los objetos se ven gracias a la luz, ya sea por la luz emitida por el objeto o por la luz reflejada en él.

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(a = reflexión regular y b = reflexión difusa)

  1. REFRACCIÓN DE LA LUZ

La luz se propaga en línea recta y con velocidad constante en un medio homogéneo e isótropo, pero cuando llega a la superficie de separación de dos medios transparentes, una parte penetra en el segundo medio cambiando de dirección y de velocidad de propagación.

Este cambio de dirección de propagación de un rayo de luz, cuando pasa oblicuamente de un medio a otro, se conoce como refracción. La deformación aparente de los objetos sumergidos en agua, como es en este caso el lapicero, o la profundidad aparentemente menor a la que se encuentran los peces dentro de un río, se explican mediante la refracción de la luz.

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Supongamos un foco luminoso puntual situado en un medio con índice de refracción absoluto n1, en el que la velocidad de la luz es v1 y uno de los rayos emitidos por el foco incide en la superficie de otro medio de índice de refracción n2, en el que la velocidad de la luz es v2.

El ángulo i que forma el rayo incidente con la normal N se denomina ángulo de incidencia, y el ángulo r que forma el rayo refractado con la normal se llama ángulo de refracción.

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Willebrond Snell comprobó experimentalmente las leyes de la refracción:

  • El rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano.

  • La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es una constante característica de los medios.

Esta constante es igual al índice de refracción del segundo medio respecto al primero o, también, al cociente entre las velocidades de la luz en el primer medio y en el segundo:



Si la luz pasa de un medio a otro de mayor índice de refracción absoluto (más refringente) el rayo refractado se acerca a la normal. En efecto, según la ecuación anterior, se cumple:

n2 > n1 ; sen i > sen r ; i > r

En caso contrario, cuando la luz pasa de un medio a otro menos refringente, el rayo refractado se aleja de la normal:

n2 < n1 ; sen i < sen r ; i < r

La Segunda Ley de Snell de la refracción puede escribirse también así:

n1 sen i = n2 sen r

es decir, el producto del índice de refracción absoluto de un medio por el seno del ángulo que forma en dicho medio el rayo de luz con la normal es una constante, llamada invariante de refracción. Por tanto, un incremento en el índice de refracción implica una disminución en el ángulo, y viceversa.

La refracción atmosférica es la responsable de las ilusiones ópticas denominadas espejismos, debido al desigual índice de refracción de las capas de aire cuando se encuentran a diferente temperatura. Cuando el aire en contacto con el suelo se calienta, la luz de los objetos distantes se refracta hacia arriba y aparecen invertidos. En cambio, durante la noche se invierte esta circunstancia, la capa de aire frío está junto al suelo y las luces del automóvil (por ejemplo) aparecen como destellos luminosos en el aire. Quizás la refracción atmosférica sirva para explicar algunos casos de ovnis.

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Para sintetizar lo anterior, añadir que vemos los objetos que nos rodean porque la luz rebota en ellos. Si miramos algo dentro del agua, como por ejemplo un remo o un lapicero parece que está torcido o doblado. Ocurre de tal manera, porque como hemos explicado con anterioridad la luz se desvía, o se refracta cuando pasa del aire al agua.

La refracción es un fenómeno relacionado con la transmisión de las ondas, incluyendo la luz. Los rayos luminosos siguen una trayectoria rectilínea, pero cuando pasan de un medio de transporte a otro, se refracta (se “quiebran”). Esto es debido a que la luz tiene distinta velocidad según la densidad del material que atraviesa. Por ejemplo, cuando la luz pasa del aire al agua su velocidad se reduce, esto hace que la luz se refracte, exceptuando cuando incide en perpendicular a la superficie.

Para un observador situado en un medio menos denso, como el aire, un objeto situado en un medio más denso parece estar más cerca de la superficie de separación de lo que está en realidad. Este trabajo es un ejemplo habitual donde podemos observar la refracción de la luz en el agua, como se muestra en la siguiente figura:

refracción

El rayo DB procedente del punto D del objeto se desvía alejándose de la normal, hacia el punto A. por ello, el objeto parece situado en C, donde la línea ABC intersecta una línea perpendicular a la superficie del agua y que pasa por D.

En la figura siguiente, se muestra la trayectoria de un rayo de luz que atraviesa varios medios con superficies de separación paralelas. El índice de refracción del agua es más bajo que el del vidrio. Como el índice de refracción del primer y el último medio es el mismo, el rayo emerge en dirección paralela al rayo incidente AB, pero resulta desplazado.

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Cuando se pone un lápiz en el agua, la punta del lápiz aparece inclinada. Luego, si se hace lo mismo pero colocando el lápiz en una solución de agua azucarada, la punta del mismo aparecerá más inclinada. Este es el fenómeno de la refracción de la luz. Los refractómetros son instrumentos de medición, en los que éste fenómeno de la refracción de la luz se pone en práctica. Ellos se basan en el principio por el cual, cuando aumenta la densidad de una sustancia (por ejemplo: cuando se disuelve el azúcar en el agua), el índice de refracción aumenta proporcionalmente.

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  1. CONCLUSIÓN

En la trayectoria desde el lápiz hasta nuestros ojos, un rayo de luz pasa por diferentes medios transparentes. Primero desde el agua al vidrio del vaso y luego del vidrio al aire. Al cambiar de medio es cuando se produce la desviación, a este fenómeno físico lo denominamos refracción.

Nos ha parecido un tema de gran interés ya que en nuestra vida cotidiana no sabemos el por qué suceden las cosas de tal manera, como es el caso de la refracción e incluso de la reflexión, cuando nos vemos reflejados en un espejo sin pensarlo, simplemente tenemos en cuenta que es una fuente, el cual nos hace ver características de nuestra cara y cuerpo.

En este trabajo hemos visto las utilidades que se le dan a la refracción, sus leyes y aplicaciones. Con ello, hemos aclarado que la refracción nos puede presentar imágenes que no son reales y que la refracción atmosférica es la culpable de muchas de las ilusiones ópticas que desarrollamos y que son denominadas espejismos.

  1. BIBLIOGRAFÍA Y WEBGRAFÍA

PEÑA SAINZ, A. y GARCÍA PÉREZ, J.A. (2007). Física. Editorial Mc. Graw Hill

http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/21/Reflexion%20y%20Refracci%F3n.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Refracci%C3%B3n

http://fisicaliceo6.blogspot.com.es/2010/06/refraccion-de-la-luz_14.html

http://sanchezaguirrecarla.blogspot.com


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