Experiencia P34: Polarización – Verificación de la Ley de Malus

Laboratorio de Física con Ordenador
Experiencia P34: Polarización – Verificación de la Ley de Malus
Cuaderno del alumno
Experiencia P34: Polarización – Verificación de la Ley de Malus
Sensor de Luz
DataStudio
Tema
Polarización P34 Malus’
Law.DS
Equipo necesario
Sensor de Luz (CI-6504A)
Sensor de Rotación (CI-6538)
Soporte de aberturas (OS-8534)
ScienceWorkshop (Mac)
Vea al final de la
experiencia
Cant.
1
1
1
ScienceWorkshop (Win)
Vea al final de la
experiencia
Equipo necesario
Sistema Óptico Básico (OS-8515)
Analizador de Polarización (OS-8533)
Cant.
1
1
IDEAS PREVIAS
Si la luz transmitida tiene máxima intensidad cuando los dos polarizadores están paralelos, e
intensidad mínima cuando están perpendiculares, ¿qué relación existe entre la intensidad de la
luz transmitida y el ángulo de los polarizadores entre 0 y 90 grados?
Anote su respuesta en la sección Informe de Laboratorio.
El objetivo de esta experiencia es determinar la relación entre la intensidad de la luz
transmitida a través de dos polarizadores y el ángulo, Ø, de los ejes de los polarizadores.
FUNDAMENTO TEÓRICO
Un polarizador sólo permite que la luz pase a través suyo si esta vibra en un plano
determinado. Este plano forma el ‘eje’ de polarización. La luz sin polarizar vibra en todos los
planos perpendiculares a la dirección de propagación. Si la luz sin polarizar incide en un
polarizador ‘ideal’, sólo la mitad atravesará el polarizador. Dado que, en realidad, no existe
ningún polarizador ‘ideal’, la luz transmitida que atravesará el polarizador será menos de la
mitad.
P34
©1999 PASCO scientific
p. 329
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La luz transmitida
está polarizada en
un plano. Si esta
luz polarizada
incide sobre un
segundo
polarizador, y el
eje al que está
orientado es
perpendicular al
plano de
polarización de la
luz incidente, nada
de luz atravesará el
segundo
polarizador (vea el
dibujo).
Si el segundo polarizador está orientado a un ángulo no perpendicular al primer polarizador,
quedarán restos de algún componente del campo eléctrico de la luz polarizada que permanece
en la misma dirección que el eje del segundo polarizador, así que algo de luz atravesará el
segundo polarizador (vea el dibujo ).
El componente, E, del campo eléctrico polarizado, Eo, esta determinado por:
E  Eo cos 
Dado que la intensidad de la luz cambia como el cuadrado del campo eléctrico, la intensidad
de la luz que atraviesa el segundo polarizador es determinada por:
I  Io cos2 
donde Io es la intensidad de la luz que atraviesa el primer filtro y Ø es el ángulo existente
entre los ejes de polarización de los dos filtros.
Considere los dos casos extremos ilustrados por esta ecuación:
•
Si Ø es cero, el segundo polarizador está alineado con el primero, y el valor del cos 2Ø es uno.
Dado que la intensidad transmitida por el segundo filtro es igual a la intensidad de la luz que
atraviesa el primer filtro. En este caso se permitirá que una intensidad máxima atraviese los
filtros.
•
Si Ø es 90º, el segundo polarizador está orientado de manera perpendicular al plano de
polarización del primer filtro, y el cos2(90º) es igual a cero. De modo que nada de luz atraviesa
el segundo filtro. Este caso permitirá que una cantidad mínima atraviese.
•
Estos resultados asumen que la absorción de la luz se debe únicamente a los efectos de los
polarizadores. De hecho la mayoría de las películas polarizadoras no son claras y, en
consecuencia, hay algo de absorción debida a la coloración de los filtros.
P34
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p. 330
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RECUERDE

Siga las instrucciones de utilización del equipo.
PROCEDIMIENTO
Utilice el sensor de Luz para medir la intensidad relativa de la luz que atraviesa dos filtros
polarizadores. Varíe el ángulo del segundo polarizador en relación con el primer polarizador.
Utilice el sensor de Rotación para medir el ángulo del segundo polarizador en relación con el
primero.
Utilice DataStudio o ScienceWorkshop para registrar y mostrar los datos de la intensidad de
la luz y el ángulo entre los ejes de los polarizadores. Utilice las herramientas de análisis de la
calculadora del programa para comparar la intensidad relativa con el ángulo y el coseno2 del
ángulo.
PARTE I: CONFIGURACIÓN DEL ORDENADOR
1.
Conecte el interfaz de ScienceWorkshop al
ordenador, encienda el interfaz y luego encienda
el ordenador.
2.
Conecte el sensor de Luz al Canal Analógico A
del interfaz.
3.
Conecte las clavijas estéreo del sensor de
Rotación en los Canales Digitales 1 y 2.
4.
Abra el archivo titulado:
DataStudio
P34 Malus’
Law.DS
ScienceWorkshop
(Mac)
Vea al final de la
experiencia
ScienceWorkshop
(Win)
Vea al final de la
experiencia

El archivo se abre mostrando un indicador numérico de la intensidad de la luz, una
gráfica de intensidad de la luz frente al ángulo y una gráfica de la intensidad de la luz
frente al coseno al cuadrado del ángulo.

La recogida de datos está fijada en 20 Hz. El sensor de rotación está configurado en
1440 divisiones por rotación.
•
Mire las páginas del final de esta experiencia para obtener información de cómo
modificar el archivo de ScienceWorkshop.
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p. 331
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PARTE II: CALIBRADO DEL SENSOR Y MONTAJE DEL EQUIPO
Montaje del Equipo
1.
Monte el analizador de polarización según sus instrucciones.
•
Monte el polarizador sobre el soporte del accesorio.
•
Monte el sensor de Rotación sobre el soporte.
•
Enrolle la correa de plástico alrededor del sensor de rotación y
del polarizador.
2.
Monte el analizador de polarización sobre el banco óptico.
3.
Monte el sensor de Luz sobre soporte de aberturas y fije éste en
el soporte al efecto. Ponga el soporte sobre el banco óptico.
4.
Gire el disco de aberturas de modo que la abertura circular quede
frente al sensor de Luz.
5.
Ponga la fuente de luz óptica básica y otro polarizador sobre otro
soporte en el banco óptico.
6.
Encienda la fuente de luz. Mueva la fuente de luz y el sensor de Luz de modo que
queden lo más cerca posible de los polarizadores.
Calibrado del Sensor
•
Calibre el sensor de Luz de modo que genere un voltaje máximo cuando los ejes de los
polarizadores estén paralelos (Ø = 0º).
1.
Ponga el interruptor GAIN del sensor en la posición 1. Mueva el sensor de luz de modo
que su abertura esté lo más cerca posible de la fuente de luz.
P34
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2.
En la ventana de configuración del experimento, pulse dos veces en el icono del sensor
de Luz. Resultado: Se abre la ventana ‘Sensor Properties’ en DataStudio. La ventana
de configuración del sensor de Luz se abre en ScienceWorkshop. En DataStudio haga
clic en el tabulador ‘Calibration’.
3.
Observe el voltaje del sensor de Luz.

En la ventana ‘Calibration’ de DataStudio, la lectura actual del voltaje del sensor de
Luz aparece en la esquina superior izquierda. En la ventana de calibrado del sensor en
ScienceWorkshop, la lectura actual del voltaje aparece al final de la columna ‘Voltios’.
Voltage
from
sensor
4.
A continuación ajuste los polarizadores de modo que la luz incida lo mejor posible en
el sensor de Luz. Por ejemplo, gire el polarizador de manera que la marca ‘cero’ quede
junto a la muesca de referencia del soporte. Gire el segundo polarizador de modo que
quede paralelo al primero (también a cero grados). Ajuste el segundo polarizador hasta
que la transmisión sea máxima según indica el voltaje en la ventana de calibrado.

Si el valor del voltaje del sensor es superior a 4.9 V, aleje lentamente el sensor de la
fuente de luz hasta que el valor sea 4.9 V (o ligeramente inferior).

Si el valor del voltaje es inferior a 0.49 V ponga el interruptor GAIN en la posición 10.
Si el valor es todavía inferior a 0.49 V ponga el interruptor GAIN en la posición 100.
5.
Guarde este valor de voltaje como máximo (correspondiente al 100 % de intensidad).
En DataStudio haga clic en ‘Take Reading’ bajo la columna ‘High Point’. En
ScienceWorkshop, haga clic en el botón ‘Leer’.
6.
A continuación ajuste los polarizadores de modo que la transmisión sea la menor
posible. Gire el segundo polarizador a 90º. Ajuste la posición del polarizador de modo
que la transmisión sea mínima según indique el voltaje en la ventana de calibrado.
7.
Guarde este valor de voltaje como voltaje mínimo (correspondiente al 0% de
intensidad). En DataStudio haga clic en ‘Take Reading’ bajo la columna ‘Low Point’.
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En ScienceWorkshop, haga clic en el botón ‘Leer’. Haga clic en ‘ACEPTAR’ para
regresar a la ventana de configuración del experimento.
PARTE III: RECOGIDA DE DATOS
1.
Ajuste los polarizadores para la máxima transmisión de luz.
2.
Cuando todo esté listo, comience la recogida de datos. Pulse
en el botón ‘Start’ en DataStudio o en el botón ‘Grabar’ en
ScienceWorkshop).
3.
Comience a girar el analizador de polarización lentamente y
suavemente. Observe los resultados en la gráfica. Continúe
girando el polarizador hasta completar una rotación (360º).
4.
Después de una rotación completa, finalice la recogida de
datos.
5.
Apague la fuente de luz.
ANÁLISIS DE DATOS
Utilice las gráficas para analizar los datos.
1.
Examine la gráfica de ‘Intensidad de la luz frente a ángulo de posición’.
2.
Intente ajustar los datos a un modelo matemático.
•
En DataStudio, pulse en el botón de menú ‘Fit’ y
seleccione ‘Polynomial’. En ScienceWorkshop,
pulse en el botón ‘Estadísticas’ y seleccione
‘Ajuste de Curva, Ajuste Polinómico’. Vea si el
ajuste polinómico es un ‘buen ajuste’.
3.
A continuación, examine la gráfica de ‘Intensidad
de la luz frente a coseno(ángulo)’.
•
En DataStudio, haga clic en la segunda gráfica para activarla. En ScienceWorkshop,
seleccione ‘Cálculos, Coseno al cuadrado’ en el menú de entradas del eje X.
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4.
Cuaderno del alumno
Intente ajustar los datos a un nuevo modelo matemático. En DataStudio, pulse en el
botón de menú ‘Fit’ y seleccione ‘Linear’. En ScienceWorkshop, haga clic en el menú
‘Estadísticas’ y seleccione ‘Ajuste de Curva, Ajuste Lineal’.
Anote las respuestas en la sección Informe de Laboratorio.
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Informe de Laboratorio
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IDEAS PREVIAS
Si la luz transmitida tiene máxima intensidad cuando los dos polarizadores están paralelos, e
intensidad mínima cuando están perpendiculares, ¿qué relación existe entre la intensidad de la
luz transmitida y el ángulo de los polarizadores entre 0 y 90 grados?
CONCLUSIONES Y APLICACIONES
1.
¿Qué forma tiene la gráfica de Intensidad de la Luz frente a la Posición Angular?
2.
¿Qué forma tiene la gráfica de Intensidad de la Luz frente al Coseno al Cuadrado del
Ángulo?
3
Teóricamente, ¿qué porcentaje de luz polarizada en el plano incidente se transmitiría a
través de tres polarizadores cuyos ejes estuvieran girados 17 grados uno con respecto
otro? Asuma que se trata de polarizadores ideales y que el eje del primer polarizador
tiene 17 grados de diferencia con respecto al segundo.
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©1999 PASCO scientific
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