ONDAS Y LUZ Soluciones Estas son mis reacciones, pero como se dice, para cada efecto puede haber más de una causa. Es muy posible que haya explicaciones mejores que las que doy yo. 1. ¿Cuánto tiempo tarda la luz en recorrer una distancia de un año luz? Un año pues. Por definición, la unidad de distancia “año luz” corresponde a la distancia que recorre la luz en un año. 2. ¿El espectro de los colores es sólo un pequeño segmento del espectro electromagnético? Justifica. Examine la siguiente imagen y redacte la respuesta a la pregunta.

Imagen de: http://copublications.greenfacts.org/es/lamparas-bajo-consumo/figtableboxes/light-spectrum.htm

3. Cada campana y cada diapasón tienen sus propias vibraciones naturales y emiten un sonido propio cuando los golpeamos. ¿En qué se parece esto a los átomos, las moléculas y la luz? Complicada la explicación si se habla de átomos, y como estamos hablando de ondas, tendríamos que examinar cómo vibra un átomo, pero un átomo no tiene una única frecuencia, el espectro electromagnético que se obtiene de un átomo muestra con claridad que su energía emitida va a depender de la energía que lo estimule. Caso diferente es el de una campana o un diapasón. Si a ellos se les golpea van a emitir un sonido, cada uno con la frecuencia natural del resonador (campana o diapasón), si cambia la energía del golpe que se les da, podrá cambiar la intensidad del sonido que emiten, más no su frecuencia. Pero, en cuanto a proceso sí hay algunas cosas parecidas. Los átomos, al igual que las campanas y diapasones, al recibir energía (a sus respectivos niveles), pueden emitir energía, luz u otras ondas electromagnéticas en el caso de los átomos y sonido en el caso de campanas y diapasones. En el caso de una molécula, bueno, éstas también tienen su propia frecuencia natural. Por ejemplo, el agua. Si sobre el agua inciden ondas con frecuencia similar a su frecuencia natural, entonces las moléculas de agua entran en resonancia y se agitan con mayor rapidez, entonces y como resultado, el agua se calienta. Esto ocurre en un microondas. ¿En qué se parece al diapasón y campana?, bueno, tal como el diapasón y la campana, las moléculas también tienen estado natural de vibración. Hernán Verdugo Fabiani Profesor de Matemática y Física www.hverdugo.cl

1

Estas respuestas son las simples, para respuestas más completas hay que conocer más del átomo y de química. 4. ¿El vidrio es transparente a frecuencias de luz que coinciden con sus frecuencias naturales? Completamente transparente. Si alumbras un vidrio azul con luz azul, la luz lo atravesará y se proyectará una luz azul, al otro lado del vidrio. Pero si lo alumbras con luz roja, esa luz no atravesará el vidrio, la energía de esa luz será absorbida por el vidrio. Si alumbras con luz blanca el vidrio, verás que la única luz que lo atraviesa es la azul, alumbra azul. Para entender esto debes recordar que la luz blanca está compuesta por todos los colores del espectro, entre ellos está el azul, el rojo, el verde, y muchos más. ¿Qué pasó con el verde, rojo, amarillo, y otros, cuando como luz blanca incidieron en el vidrio azul? Fueron absorbidos por el vidrio. 5. ¿Por qué es de esperarse que la rapidez de la luz sea ligeramente menor en la atmósfera que en el vacío? Pensemos en un fotón de luz que viene del vacío e ingresa en la atmósfera. Cuando ingresa el fotón, lo hace con la velocidad de la luz en el vacío, colisiona a electrones, el fotón “inicial” es absorbido y del átomo donde incide emerge otro fotón, que se mueve nuevamente a la velocidad de la luz en el vacío (al interior de un átomo, salvo electrones y núcleo, hay vacío), y así sucesivamente ocurre cada vez que colisiona un electrón de otro átomo. El fotón, emitido o emergente, siempre viaja a la velocidad de la luz, pero en el proceso de absorción-emisión hay pérdida de tiempo, entonces, la velocidad media, en el tramo donde hay materia, aire de la atmósfera por ejemplo, resulta ser menor que la que hay en el vacío. En el aire es ligeramente menor que en el vacío (la velocidad de la luz) debido a que el aire no es tan denso. 6. ¿Qué es lo que determina si un material es transparente u opaco? El tipo de luz que incide sobre ellos. Por ejemplo, un trozo de aluminio siempre será opaco a la luz visible, pero será transparente a las ondas de rayos X. Tanto la luz como los rayos X son ondas del mismo tipo, pero solo difieren en la frecuencia. Los rayos X son ondas de mayor frecuencia que la luz visible. Pero, supongamos que a un trozo de vidrio y a un corcho incide luz visible, ¿por qué la luz atraviesa el vidrio y no el corcho? Pensemos en un fotón de luz visible que ingresa a un vidrio y a un corcho, en ambos materiales el fotón buscará excitar electrones que encuentre en átomos de esos materiales. Si encuentra un electrón en el corcho, hará que ese electrón cambie de nivel, le aumenta la energía y se acerca al núcleo, solo por absorción de energía, entonces el fotón “muere” y el electrón cambia de nivel, la luz… es absorbida. En cambio, en el vidrio, la energía que porta el fotón hace que los electrones que excita cambien de nivel, pero al contrario del corcho, haciendo que se alejen del núcleo, por lo tanto emite un nuevo fotón y así sucesivamente hasta que sale del vidrio, entonces “a nuestros ojos, y de la física” el vidrio es transparente, mientras que el corcho no lo es.

Hernán Verdugo Fabiani Profesor de Matemática y Física www.hverdugo.cl

2

Aquí hay una buena explicación de por qué el vidrio es transparente, está en inglés, pero… aprovechas de practicarlo: https://www.youtube.com/watch?v=Omr0JNyDBI0 7. Señala la diferencia que existe entre un eclipse solar uno lunar. ¿Cuál de los dos tipos de eclipse es dañino para la vista si lo observas directamente? Eclipse lunar: cuando la Tierra se interpone entre el Sol y la Luna. Eclipse solar: cuando la Luna se interpone entre el Sol y la Tierra. Este es el peligroso, ya que, salvo en la zona donde el eclipse es total, en la parte de eclipse parcial (la penumbra) al verlo, se estará viendo directamente al Sol y sin protección es peligroso.

Imagen obtenida de: http://www.secretosparacontar.org 8. ¿El blanco y el negro son colores reales, en el sentido en que el rojo y el verde los son? Explique. Para la luz, el blanco es la suma de todos los colores que existen. El negro, al contrario, es la ausencia de colores. 9. ¿Por qué un objeto tiene un color distinto cuando lo iluminamos por medio de una lámpara fluorescente que cuando lo iluminamos con una lámpara incandescente? La lámpara fluorescente emite una luz de alta frecuencia, de hecho emite ondas ultravioletas y luz visible. La luz de una lámpara incandescente, al contrario, emite una luz más próxima al blanco, con tendencia a frecuencias más bajas. La siguiente imagen muestra el espectro de ambos tipos de luces. Ahí se observa que la incandescente tiene un espectro más marcado en los tonos de baja frecuencia, amarillo, naranja, rojo. La fluorescente tiene una frecuencia más alta en los tonos azules.

Hernán Verdugo Fabiani Profesor de Matemática y Física www.hverdugo.cl

3

Imagen obtenida de: http://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=12 El resultado de esto, es que si un objeto blanco se ilumina con luz incandescente, se verá blanco, en cambio si se ilumina con luz fluorescente, se verá con un color más intenso hacia los tonos azules. 10. ¿Qué color (o colores) transmite un objeto transparente rojo?, ¿qué color (o colores) absorbe? Transmite el color rojo. Nada más. Los demás los absorbe. 11. ¿Cómo podemos producir un color amarillo sobre una pantalla si sólo disponemos de luz roja y luz verde? El rojo y el verde, para la luz son colores primarios, si se superponen da como resultado el color secundario amarillo. 12. ¿Qué frecuencias dispersan las partículas diminutas de la atmósfera: las altas o las bajas?, ¿y las partículas más grandes? Las pequeñas partículas, de tamaños del orden de las moléculas, de la atmósfera dispersan de mejor manera los colores de frecuencias altas, como azul y violeta, esta es la razón por la que el cielo se ve azul. Las partículas más grandes no dispersan bien la luz, más bien se comportan como espejo. Ocurre, por ejemplo, en un día nublado. La nube, formada por gotas de agua, mucho más grande que las moléculas, deja pasar muy poca luz. 13. ¿Por qué las superficies metálicas pulidas son buenos espejos? De hecho, si están bien pulidas, son mejores espejos que los que usamos habitualmente, formados con vidrio y pintura de plata o aluminio. En los que usan vidrio, la luz debe atravesar el vidrio, refractarse en él, reflejarse en la pintura de plata o aluminio y nuevamente refractarse al salir del vidrio. En ese proceso el vidrio y la película de plata o aluminio, algo de la luz es absorbida. En el espejo de metal pulido, no está esa pérdida, por absorción, de luz. Por esta razón, los telescopios profesionales, los reflectores, utilizan espejos confeccionados con aluminio y no con vidrio. 14. Cuando te miras en el espejo, ¿a qué distancia aparece tu imagen tras el espejo, comparada con la distancia a la que tú te encuentras de él? En un espejo plano, la distancia a que se encuentra la imagen, respecto al espejo, es la misma a que se encuentra la persona. 15. ¿Es válida la ley de la reflexión tanto para las ondas sonoras como para las ondas de luz? Sí. Es una ley que se cumple en todo tipo de ondas. 16. Señala la diferencia que existe entre la reflexión y la refracción. La reflexión, en términos simples, ocurre cuando una onda al propagarse se encuentra con un obstáculo y rebota. La refracción, en cambio, atraviesa el obstáculo, aunque una parte también es reflejada. 17. Si puedes ver el rostro de una amiga que se encuentra bajo el agua, ¿puede verte ella a ti? Sí. Se cumple el principio de reversibilidad para la luz. Hernán Verdugo Fabiani Profesor de Matemática y Física www.hverdugo.cl

4

18. Señala la diferencia que existe entre lente convergente y lente divergente. Con algunas ideas de óptica geométrica diríamos que rayos paralelos que inciden en una lente convergente, al transmitirse al otro lado de la misma, tienden a juntarse en un punto, cuya proyección está en el foco. En cambio en la lente divergente los mismos rayos tienden a separarse, pero la prolongación de ellos se interceptan en un punto, cuya proyección está en el foco, que pertenece a la zona por donde se propagaban los rayos. También podría decirse que un objeto visto a través de una lente convergente puede verse de mayor tamaño (la típica lupa cuando se observa un objeto cerca de la lente) y si es convergente siempre se verá más pequeño. 19. Señala la diferencia que existe entre el punto focal y el plano focal de una lente. El punto focal es un punto que está en el eje óptico de una lente y corresponde al foco del paraboloide que contiene la curva opuesta, respecto a un eje vertical, de la lente. El plano focal corresponde a un plano perpendicular el eje óptico y pasa por el punto focal. Paraboloide que contiene un lado de la lente

Perfil del plano focal Lente

Eje óptico Foco

20. Señala la diferencia que existe entre imagen virtual e imagen real. En un espejo, un objeto reflejado es una imagen real si la imagen se forma con los rayos reflejados, la imagen real de un objeto visto a través de una lente, se forma con los rayos transmitidos a través de la lente. En un espejo, una imagen virtual (de un objeto) se forma con al menos un rayo que es prolongación de un rayo reflejado. La correspondiente de una imagen virtual, viendo un objeto a través de una lente, se forma con al menos un rayo que es prolongación de un rayo transmitido a través de la lente. 21. Las ondas se abren en abanico al pasar por una abertura. ¿Este efecto es más o menos pronunciado cuanto más angosta sea la abertura?, ¿cómo se llama este efecto? Mientras más angosta es la ranura es más pronunciado el efecto. Se llama difracción. 22. ¿La difracción es beneficiosa o perjudicial para la recepción de ondas de radio? Una respuesta sin mucho razonar diría, en un ejemplo, que: Un frente de ondas de radio, que son ondas electromagnéticas, se encuentra con una muralla que tiene una pequeña abertura o un borde (de una ventana por ejemplo), al pasar la onda al otro lado para que la capte una antena receptora tendría que estar en la línea que señala la propagación de la onda con la posición de la antena al otro lado del muro. Entonces si la antena queda tras el muro, no recibiría la señal de radio. Pero, afortunadamente, no es así.

Hernán Verdugo Fabiani Profesor de Matemática y Física www.hverdugo.cl

5

En la abertura o los bordes, según el principio de Huygens, se originan nuevas ondas de radio, en forma esférica, por lo tanto llegarán a la posición de la antena, un poco más débil que la onda antes de encontrarse con el muro, pero llega. Así que la difracción es útil para la recepción de una onda de radio cuando hay obstáculos. Pero, la abertura debe ser pequeña o, la antena en nuestro caso, no debe estar muy lejos de un borde, en donde también se produce difracción. Antena Ondas de radio

Si no hay difracción

Si hay difracción

23. ¿La interferencia es un fenómeno exclusivo de las ondas de luz, u ocurre para otro tipo de ondas? Cite ejemplos para justificar la respuesta. Para todo tipo de ondas. Sonora. Si estás en la sala de clases, con una única ventana abierta, cualquier sonido que haya fuera de la sala, si se escucha en la sala, pareciera que proviene de la ventana abierta. 24. ¿A qué se debe que aparezcan franjas de luz en el experimento de Young? Por interferencia de ondas. Siempre que hay difracción hay interferencia. Es inevitable. 25. ¿En qué difiere la luz que emite un láser de la luz emitida por una ampolleta común? La de la luz láser es un haz concentrado, son ondas “en fase”, no se interfieren entre sí. La luz emitida por una ampolleta común, son ondas que no están en fase, se interfieren entre sí, y se separan de acuerdo al principio de Huygens. 26. Te puedes broncear al Sol en días soleados y en días nublados. Pero no te puedes broncear si te colocas detrás de un vidrio. Explique por qué sucede esto. Buena parte de las ondas gamma, que son las responsables de las “quemaduras en la piel”, no logran atravesar el vidrio. 27. Si se dispara una bala a través de un árbol, su rapidez se reducirá dentro del árbol y saldrá (si sale) con una rapidez menor que la original. Pero cuando la luz incide sobre una hoja de vidrio emerge con la misma rapidez a pesar de que viaja más lentamente dentro del vidrio. Explique a que se debe esto. La luz que viaja del aire y atraviesa el vidrio, en caso propuesto, al interior del vidrio excita a los electrones de los átomos, ahí “mueren” los fotones, a su vez el electrón al cambiar de nivel emite otro fotón y este provoca lo mismo en otros átomos, en cada Hernán Verdugo Fabiani Profesor de Matemática y Física www.hverdugo.cl

6

“muerte “ y emisión de fotones transcurre un pequeño tiempo, cuando sale del vidrio y entra al aire, no está esa pérdida de tiempo que tenía el proceso de absorción y emisión de fotones, por lo que la luz vuelve a la velocidad que tenía antes de entrar al vidrio. 28. Las longitudes de onda más pequeñas de la luz visible interactúan más frecuentemente con los átomos del vidrio que las longitudes de ondas mayores. ¿Qué tipo de luz, según tu parecer, tarda más en atravesar el vidrio: la luz roja o la luz azul? Las longitudes de onda más pequeñas, de la luz, corresponden al color azul (por ser estas de mayor frecuencia y la roja de menor frecuencia). Entonces la luz azul tarda más en atravesar el vidrio, ya que interactúa más, por lo que se producen más absorciones y emisiones de fotones, al interior del vidrio, con la luz azul que con la roja. 29. Supón que un rayo de luz incide sobre unos anteojos para leer y unos anteojos de sol. ¿Cuál de los pares de anteojos se calentará más?, ¿por qué? Los de sol, por ser más oscuros. Absorberán más luz que los “no oscuros” para leer. 30. ¿A qué se debe que un avión que vuela a gran altura no proyecte sobra alguna sobre la tierra mientras que uno que vuela bajo proyecta una sombra bien definida? Los rayos solares que pasan por los bordes del avión no “bajan” a la superficie de la Tierra en forma paralela, lo hacen en forma inclinada, de modo que queda una zona de sombra en forma triangular bajo el avión, siendo la base el mismo avión, a lo ancho (y a lo largo también, pero pensemos solo en el ancho, lo que ocurre a lo largo es igual), el ángulo opuesto a la base está por debajo del avión, y si está muy cerca de la superficie terrestre, el vértice opuesto quedaría por debajo de la superficie, entonces habrá sombra del avión en la superficie, pero si va mayor altura el vértice de ese triángulo de sombra podría quedar por sobre la superficie terrestre, entonces no habría sombra.

31. ¿Por qué es negro el espacio fuera de la atmósfera terrestre? Pongámoslo en otra perspectiva. ¿Por qué vemos algún objeto? Solo hay dos posibilidades, el objeto emite luz propia o bien refleja luz que proviene de otra fuente luminosa. Pero si el objeto no existe, ¿podemos verlo? Parece absurdo, ¿verdad? Hernán Verdugo Fabiani Profesor de Matemática y Física www.hverdugo.cl

7

Bueno, ¿qué vemos en el espacio? Vemos dos tipos de estructuras, estrellas que emiten luz propia, y planetas y otros objetos que no emiten luz propia, pero que reflejan luz, principalmente del Sol. Y, si agregamos que los objetos en el espacio están muy dispersos, en gran parte no hay objetos que emitan luz, de cualquier forma, por lo tanto no se ve luz, es decir, se ve negro. Si alguien quiere profundizar el tema desde la perspectiva de la astronomía, le recomiendo que averigüe sobre la paradoja de Olbers. 32. ¿De qué color se ve un trozo de la tela amarilla a la luz del Sol?, ¿y si la iluminamos con luz amarilla?, ¿y con luz azul? Amarilla si se ilumina con luz solar. Amarilla si se ilumina con luz amarilla. Negra si se ilumina con luz azul. Pero cuidado, la última respuesta está basada en el modelo idealizado de los colores, en estricto rigor no existe un objeto con un color puro, por eso es que a pesar que la teoría dice que un objeto amarillo iluminado con luz azul se vería negro, ya que el amarillo solo puede reflejar luz amarilla, bueno, igual se vería algo del objeto, pero negro no se vería. Ref: Física Conceptual, Paul Hewitt.

Hernán Verdugo Fabiani Profesor de Matemática y Física www.hverdugo.cl

8