un lápiz parcialmente sumergido en agua se ve doblado

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
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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
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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.
2. 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.
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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.
3. 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.
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 aireagua 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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4. 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
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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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5. 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.
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6. 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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7. 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/λ
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.
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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.
8. 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.
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)
9. 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.
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 n 2, 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:
𝑠𝑒𝑛 𝑖
𝑛2 𝑣1
=
=
𝑠𝑒𝑛 𝑟
𝑛1 𝑣2
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.
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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.
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:
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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.
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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10. 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.
11. 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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