Lab Fisica 7

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Laboratorio de Física 1

PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 07 NATURALEZA, LEY DE LA DISTANCIA, REFLEXIÓN DE LA LUZ. 1. OBJETIVO 1. Comprobar experimentalmente la variación de fuentes luminosas alimentadas AC y DC. 2. Comprobar experimentalmente que la intensidad de una onda luminosa disminuye con el cuadrado de la distancia a la fuente luminosa. 3. Estudiar las imágenes formadas en un espejo plano. 4. Deducir las leyes de la reflexión de la luz. 5. Ser capaz de configurar e implementar equipos para toma de datos experimentales utilizando como herramienta el software Data Studio. 2. MATERIALES -

Computadora personal con programa Data Studio instalado Interfase USB Link Sensor de luz Fuentes luminosas Espejos Regla Alfileres Papel polar Tablero de corcho

3. FUNDAMENTO TEÓRICO Naturaleza de la luz Las bombillas eléctricas se alimentan con un voltaje de 50 Hz (o 60 Hz) en algunos países) de onda sinusoidal. La amplitud máxima del voltaje, y en consecuencia del brillo, tiene lugar dos veces por ciclo debido a que la bombilla es excitada cuando se incrementa el voltaje sin importar la polaridad de este. Una bombilla eléctrica tendrá una intensidad máxima 10 veces por segundo (o 120 veces por segundo). Tendrá del mismo modo una intensidad mínima 100 veces por segundo (o 120 veces por segundo). Las luces fluorescentes pardean a una frecuencia particular. La intensidad de la luz procede de bombillas que también fluctúan. La intensidad de la luz procedente de bombillas DC no debe variar.

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Intensidad luminosa Cuando una fuente puntual emite luz con una potencia (P) constante y el medio de propagación es isotrópico y no absorbente de energía, los frentes de onda son esféricos. De este modo, la energía por unidad de tiempo (P) se distribuye uniformemente sobre el área de una superficie esférica de radio (r). Por ello, la intensidad de la onda (potencia media por unidad de área) resulta ser:

I

P

4r 2

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Es decir la intensidad de la luz a una distancia dada r, será proporcional al cuadrado de su radio r, la intensidad variará como 1/r2. Los campos eléctricos y gravitatorios también son funciones que responde a la ley de la inversa al cuadrado. Reflexión Al cambio de dirección que experimenta la luz al llegar a una superficie pulida se le llama reflexión. En casi cada momento de la vida diaria se encuentran experiencias que son consecuencias de la reflexión de la luz. usted está leyendo estas líneas gracias a que la luz que se refleja en la superficie, se observa en un espejo por la luz reflejada sobre él. El principio o la ley de la reflexión de la luz, se aplica en las experiencias que se acaban de describir y en muchos otros. La ley de la reflexión se puede ver desde otro punto de vista diferente que viene del Principio de Fermat que establece que “De todos los posibles caminos puede tomar la luz para desplazarse, toma siempre aquel que lo lleva a recorrer en el tiempo mas corto” o dicho de otro modo “La trayectoria real entre dos puntos tomados por su haz de luz es aquella que es recorrida en el tiempo mínimo”. La reflexión especular se produce cuando la luz se refleja sobre una superficie pulida como un espejo, mientras que cuando la reflexión se produce sobre una superficie rugosa se denomina reflexión difusa . En el caso particular de la reflexión especular (generalmente cuando se habla de reflexión se hace referencia a este tipo) se cumple lo que se denomina la ley de reflexión: i = i

(2)

Que nos indica que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. El índice de refracción de un medio se define como: n = velocidad de la luz en el vacío = c velocidad de la luz en un medio v

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Ya que se sabe que la velocidad de la luz (v) cambia de acuerdo al medio en que atraviese, así también como la longitud de onda () mientras que la frecuencia (f) permanece constante. Recordemos que la velocidad de una onda se relaciona con la frecuencia (f) y la longitud de onda () de acuerdo con la siguiente relación: v = f

(3)

4. PROCEDIMIENTO Naturaleza de la luz. Ingrese al programa Data Studio, haga clic sobre el icono crear experimento y seguidamente reconocerá el sensor de luz (luxómetro) insertado a la interfase Power Link. Entre al icono CONFIGURACION luego seleccione velocidad de muestreo a 10 hz. No es necesario calibrar el sensor de luz, pero si necesitara calibrar la sensibilidad del sensor, selecciónelo en el rango BULB (0 – 260 lux) lo reconocerá pues sobre el sensor hay un botón con la imagen de una bombilla eléctrica. Encienda el fluorescente AC y coloque el sensor de luz a unos cuantos centímetros. No acercar el sensor al fluorescente, registre las medidas a nivel de la superficie de la mesa. Comience a grabar los datos por espacio de 20 segundos Repita el procedimiento para la bombilla incandescente AC. Repita el procedimiento para la bombilla incandescente DC. Variación de la intensidad de la luz. Ingrese al programa Data Studio, haga clic sobre el icono crear experimento y seguidamente reconocerá el sensor de luz (luxómetro) insertado a la interfase Power Link. Arme el montaje de la figura 4.1. La longitud inicial debe ser de 10 cm. Obsérvese que la linterna debe estar perpendicular a la regla. Cuide además que la luz del ambiente no incida sobre su sensor.

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Sensor luminoso

Regla

Linterna

Fig. 4.1. Primer montaje. Selecciónelo en el rango BULB (0 – 260 lux) lo reconocerá pues sobre el sensor hay un botón con la imagen de una bombilla eléctrica. Entre al icono CONFIGURACION luego seleccione velocidad de muestreo a 10 Hz, luego vaya a opciones y en muestreo manual seleccione conservar valores de datos solo si se solicita. Renombre la medida a tomar como longitud y las unidades en metros, según como lo puede ver en la figura 4.2.

Fig. 4.2. Configuración del sensor luminoso. Posteriormente levante un gráfico de intensidad luminosa (lux) vs longitud (metros). Al empezar la grabación de los datos aparecerá una ventana como podemos apreciar en la grafica 4.3 y deberá poner el valor de la longitud y así en cada valor que selecciones, el sistema grabará solo en el momento que se acepte el valor. Para finalizar la grabación se seleccionará e icono de color rojo al costado del icono CONSERVAR. Grabe con un paso de 5 cm desde los 10 cm hasta los 100 cm.

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Fig. 4.3. Forma de registrar un dato manualmente. Reflexión de la luz. El espejo plano debe sostenerse en posición vertical con ayuda de la madera y colócalo sobre una hoja de papel polar. Clava un alfiler que te servirá de objeto frente al espejo a 10 cm. El alfiler debe de estar fuera desalinea normal del origen de coordenadas. Este alfiler es visible desde cualquier ángulo, luego podemos decir que la luz es reflejada en todas direcciones. Un segundo alfiler localizador puede ser usado para definir un rayo de luz que al chocar con el espejo forma un ángulo particular de incidencia i con la normal del espejo. Mover el eje frente al espejo plano hasta que las imágenes de ambos alfileres en el espejo coincidan. Luego colocar dos alfileres “localizadores” en la línea recta que une las imágenes de los dos alfileres. Los dos nuevos alfileres definirán el ángulo 2 de reflexión correspondiente. Trazar ambos rayos y la posición del espejo sobre el papel. La línea de trazos de la figura 4.4 representa el rayo de luz incidente y la línea continua representa el rayo de luz reflejado. El ángulo de incidencia i se define como el ángulo entre el rayo incidente y la perpendicular a la superficie reflectante, considerada en el punto de reflexión, esta perpendicular se llama normal. El ángulo de reflexión r es el ángulo entre el rayo reflejado y al normal. Trace en el papel y mida los ángulos de incidencia y reflexión.

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Figura 4.4. Segundo montaje. Quite los alfileres del rayo incidente y clávese en otros lugares cualesquiera del papel. Trace la línea de puntos que marque el nuevo rayo incidente y repita el proceso una vez mas midiendo respectivamente los ángulos i y r. En otra hoja de papel blanco dibuje una recta NN’ a la mitad de la hoja dibujar una flecha grande tal que como se muestra en la figura 4.5 coloca la superficie reflectora sobre la recta NN’, coloque un alfiler en la punta de la saeta. Con un eje cerca de la esquina inferior derecha del papel coloque una regla de modo que quede alineada con la imagen del alfiler, trace esta línea con un lápiz, mueva su eje hacia la izquierda del papel y marque otra línea del mismo modo. Quite el espejo y prolongue cada recta continua hasta NN’ y de trazos hasta MM’ hasta que se crucen. La intersección es el lugar donde parece estar al punto observado de la flecha, este lugar se llama imagen virtual del punto. Repita lo anterior para la parte inferior de la flecha. Uniendo con rectas las imágenes virtuales de los puntos del extremo superior, centro y extremo inferior de la flecha, construya la imagen virtual del símbolo.

M

N’

Figura 4.5. Trazo de la flecha.

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Coloque ahora dos espejos planos verticalmente formando un ángulo recto, como se ve en la figura 4.6 Ubica un alfiler objeto entre ellos, ¿Cuántas imágenes ve?, cambiar el ángulo a 60º y 45º, ahora ¿Cuántas imágenes ve?

Angulo Figura 4.6. Esquema de los espejos. 5. CUESTIONARIO 5.1 Sobre el proceso Naturaleza de la luz responda: 5.1.1 Arrastre el icono TRF (Transformada Rápida de Fourier), sobre los datos del fluorescente AC. Ajuste la presentación del rango, de modo que pueda verse claramente. Interprete los resultados. ¿Qué significa el hecho de que se encuentre (o no) un valor de frecuencia

5.1.2 ¿Cuál es el comportamiento de la gráfica para la bombilla incandescente AC? Interprete.

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5.2 Sobre el proceso Variación de la intensidad de la luz responda: 5.2.1 Con los datos obtenidos determine la dependencia de la intensidad con la distancia. ¿Cuál ajuste escogería? ¿Por qué?

5.2.2 Anote los valores resultantes del ajuste que escogió.

5.2.3 ¿Qué es una fuente de luz isotrópica?

5.3

Sobre reflexión de la luz responda: 5.3.1 ¿Cuál es la relación entre el ángulo de incidencia y el de reflexión para un espejo plano?. Demuestre geométricamente. 5.3.1 ¿Cuáles son los valores de los ángulos de incidencia y reflexión respectivamente? 5.3.2 Compare la distancia de un punto de la flecha, a la superficie reflectora con la distancia de la imagen correspondiente a la misma superficie reflectora y repita con otros puntos ¿Qué conclusiones deduce de ello? 5.3.3 Indicar sus observaciones que la imagen virtual formada por un espejo plano es idéntica al objeto. De no ser así ¿Cómo describiría la diferencia entre ellos? 5.3.4 Algunos instrumentos de medición tiene espejos planos es la escala colocada detrás del índice. El observador debe tomar la lectura cuando el índice esta exactamente sobrepuesta su imagen en el espejo ¿Por qué con este procedimiento se obtiene lecturas mas precisas? 5.3.5 Para el experimento de la formación de múltiples imágenes, esta cumple con la ecuación: Numero de imágenes = (360º / ángulo entre espejos) – 1 ¿Cuál es el número máximo que usted puede observar en esta configuración? ¿A que ángulo corresponde?

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6. PROBLEMAS 6.1 Un buzo sumergido dirige una luz hacia la superficie de un cuerpo de agua, con ángulos de incidencia de 40 y 50°. En ambos casos, ¿una persona en la orilla podrá ver el rayo de luz que sale? Justifique su respuesta desde el punto de vista matemático. 6.2 Luz amarillo verdosa, con una longitud de onda de 550 nm, incide en la superficie de una pieza plana de vidrio crown, con un ángulo de 40°. ¿Cuáles son a) el ángulo de refracción de la luz, b) la rapidez de la luz en el vidrio y c) la longitud de onda de la luz en el vidrio? 7. OBSERVACIONES 7.1

7.2

7.3

8. CONCLUSIONES 8.1

8.2

8.3

9. BIBLIOGRAFIA (según formato de la APA)

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