Dispersion
31 Mar, 2013
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PDFRainbow
PRESENTATION: The refractive index of a medium decreases as the wavelength increases. This means that the longer visible wavelengths of light (red) are shifted less than the shorter ones (blue) to produce a dispersion phenomenon that is commonly seen in everyday life as a rainbow, which is produced when light is dispersed by raindrops in the atmosphere.
- RAINBOW, Paul Hewitt, Phys. Teach. 44, 268 (2006)
- Why is white light dispersed by a prism?, Frank S. Crawford, Phys. Teach. 17, 583 (1979)
INTRODUCTION: The rainbow is an optical phenomenon that makes a continual spectrum of light frequencies appears as light rays pass through water droplets. There are many ways to observe this event. They include: spray water on a sunny day; put a mirror on a tray full of water and then place a sheet of white paper in front of it; or look out for the meteorological phenomenon itself.
OBJECTIVE: To show that light, when it is reflected and refracted in a glass bottle full of water, produces a separation of the light to give rise to a rainbow.
MATERIALS: Cylindrical glass bottle, focusable flashlight, sheet of white paper, water.
SETUP: Fill the glass bottle with water and place it in a dark room. Put the sheet of white paper under it to get the best results. Use the flashlight to make a beam hit the surface until you find the angle at which the light is split to form the frequency spectrum.
EXPLANATION: When the beam of light hits the water in the bottle, the yellow light is diverted by 138º with respect to the angle of entry. This angle is smaller for some other colours (red) and greater for others (violet). First, the ray of light enters the water and is slightly refracted before being reflected on the internal surface of the bottle. Finally, it is refracted again when it leaves the liquid as dispersed light. This is because the refractive angle is different for each wavelength.
CONCEPTS: reflection, refraction, frequency, light.
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TEXTS:
- R. Serway, Física, Mac Graw Hill, 2010.
- P. Tipler, Física para la Ciencia y la tecnología, Reverté, 2012.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
STUDENTS 2011-2012: Carlos Coroas, María Cotón, Alejandro Vidal, Luís Rodríguez
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STUDENTS 2011-2012: Pablo Pallas, Alejandro Paz, Raquel Pérez
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19 responses to "Dispersion"
El prisma de Newton era un sencillo mecanismo mediante el que el físico inglés demostró la complejidad de la luz visible, compuesta por diferentes colores que precisamente coinciden con los colores del arcoiris. Así, Newton logró descomponer la luz solar, pero siguió sin saber el porqué.
El disco giratorio coloreado de Isaac Newton demostró que la luz blanca está formada por los colores del arco iris. Newton observó que al hacer atravesar un haz luminoso por una lente, siempre existen variaciones de color alrededor de la imagen transmitida. A esta coloración, generada por los diferentes focos luminosos a los que se ve expuesta la lente, se la denomina dispersión de la luz.
Asimismo, comprobó que si hacía pasar un haz luminoso por un prisma, la luz blanca se descomponía en una serie de colores brillantes (arco iris) que denominó espectro solar. De esta experiencia dedujo que si la luz blanca se podía descomponer en los colores del arco iris, combinando éstos se podría volver al color blanco.
El disco giratorio de color fue una de las diversas experiencias de las que se sirvió para demostrar su teoría. Se trata de un disco dividido en sectores pintados con los colores del espectro visible. Al hacerlo girar a gran velocidad se puede observar como estos colores desaparecen, tomando una tonalidad blanca, más brillante cuanto mejor se haya hecho la proporción de colores.
Aquí dejo un enlace donde se puede observar este fenómeno.
Añadir en cuanto al disco de Newton que de esa experiencia se dedujo que si la luz blanca se descompone en los siete colores del arco iris, mezclando estos colores se podría obtener la luz blanca. La luz blanca lleva dentro todos los colores que podemos ver, menos el negro. Debido a que éste es la ausencia de color, por eso cuando no hay nada de luz, que todo está oscuro, las cosas siempre las vemos negras.
Nosotros vemos el color de cada cosa porque le llega a ese objeto luz blanca, y el objeto guarda todos los colores menos el suyo. Un tomate reflejará el rojo y se guardará los demás, una hoja blanca refleja toda la luz que le llega y un trozo de carbón absorberá toda la luz.
Pero para que nosotros sepamos de qué color es un cuerpo, su luz tiene que llegar a nuestros ojos y éstos mandarán la información al cerebro. Algo curioso de los ojos es que siempre guardan lo que ven por una décima de segundo, que aunque es un tiempo muy corto puede ayudarnos en muchas cosas. Por ejemplo, si esto no pasara no podríamos ver bien las películas ya que estas son una serie de fotos inmóviles, que se ven en movimiento gracias a que el ojo une varias imágenes con diferentes posiciones.
El mismo caso sucede cuando los colores pasan muy rápido frente a nuestros ojos, que se unen todos los colores primarios y nuestro cerebro sólo distingue el color blanco.
O arco da vella segue a ser un misterio para gran parte da humanidade que pode ser explicado de forma sinxela cos videos propostos previamente. Descartes simplificou o estudo do arco da vella reducindo o caso ao estudo da traxectoria dun raio de luz dentro dunha gota de auga esférica suspendida na atmosfera.
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A dispersión da luz refíerese á práctica de separar un raio de luz branca nas cores individuais que o compoñen. Para demostrar este fenómeno pódese empregar un prisma como propuxo Newton, co cal probou que os prismas dispersan a luz en distintas bandas de colores.
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La dispersión de la luz además de ayudarnos a explicar el arco iris también nos puede servir para explicar porque el cielo es azul.
El secreto del color azul del cielo está relacionado con la composición de la luz solar y con la humedad de la atmósfera. El sol hace que parte del agua de la superficie terrestre se evapore en corrientes invisibles pero incesantes hacia el cielo, cuando un haz de luz pasa a través de esta humedad este se dispersa, siendo el rayo violeta el que se separa más de la dirección del rayo blanco lo que provoca la coloración del azul del cielo. La desviación es máxima para los rayos de longitud de onda corta (violeta y azul), y mínima para los de longitud de onda larga (amarillos y rojos), que casi no son desviados. Los rayos violetas y azules, una vez desviados, chocan con otras partículas de aire y nuevamente varían su trayectoria, y así sucesivamente. Cuando llegan a nuestros ojos, no parecen venir directamente del Sol, sino que nos llegan de todas las regiones del cielo. De ahí que el cielo nos parezca azul, mientras el Sol aparece de color amarillo, pues los rayos amarillos y rojos se desvían poco.
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Como se demuestra en el experimento del Arco Iris, la “dispersión de la luz” explica múltiples fenómenos que se observan en la naturaleza. Uno de ellos podría ser el preguntarnos ¿Por qué la nieve es blanca? o ¿Por qué los osos polares son blancos, cuya piel es negra y su pelo transparente?; estas preguntas se pueden explicar mediante la dispersión de la luz y un medio formado por burbujas de aire.
La nieve, está formada por cristales de hielo en forma hexagonal. Entre estos pequeños cristales que forman la nieve pasa el aire y con este la luz. Los pequeños cristales hexagonales dejan que la luz se difunda y así la nieve se vea blanca. Si no existieran las burbujas de aire, la nieve se vería traslúcida.
En el caso de los osos polares, pasa el mismo efecto, la luz se refleja sobre el pelaje generando una “falsa sensación de blancura”. Esto es debido a que entre la superficie de la piel y su pelaje, existen infinidad de diminutas burbujas de aire (cuya función es del aislamiento térmico del animal), estas burbujas de aire actúan como si fuesen partículas en suspensión, dispersando la luz incidente y haciendo que la apariencia sea blanca.
Cando a luz solar incide sobre gotas de choiva xenérase un fenómeno óptico, aparecendo un espectro de frecuencias de luz continuo no ceo, coñecido como arco da vella.
Polo xeral, o arco da vella obsérvase na dirección oposta do sol. A forma de arco que observamos é parte do cono de luz que está cortado polo horizonte. Pódese realizar un experimento caseiro para reproducir o arco da vellacon tan só tres materiais que todos temos na casa: auga, un espello e un recipiente. Enchemos o recipiente de auga e introducimos parte do espello nela, de maneira que a luz solar refráctase e refléxase. Se orientamos o espello por exemplo hacia unha parede poderemos ver o arco da vella nela. Este fenómeno tamén se pode reproducir simplemente pulverizando auga de costas ó sol, como se pode observar neste vídeo. Como curiosidade poderíaselle enseñar este pequeno vídeo ós/ás alumnos/as, no que aparece un camión cisterna creando un arcoíris xigante a partir de difusión de auga no ambiente nun día soleado.
En general todos los fenómenos vinculados a la luz permiten la realización de actividades muy interesantes para el alumnado. La primera persona en explicar este fenómeno de dispersión fue Newton, con el conocido Prisma de Newton. Gracias a esto, pudo demostrar en contra de la creencia de su época que los colores de las sustancias no se debían a si mismas, sino a la descomposición de la luz blanca. Otro experimento interesante es emplear un CD o DVD como una red de difracción que permite también descomponer los colores de la luz. La espectroscopia está muy relacionada con este fenómeno. Con las gafas de la mini-investigación que se nos facilitó en clase se podrían observar espectros de emisión de distintas sustancias.
En ocasiones no se ve un único arco iris, sino dos, uno por encima del otro y con los colores invertidos. Este segundo arco iris se produce cuando el rayo solar penetra por la parte de abajo de la gota, y llega hasta nosotros tras rebotar dos veces dentro dicha gota. Al haber dos rebotes, los rayos se cruzan y salen de esta en orden inverso. Este segundo arco iris suele ser más tenue porque en cada rebote se pierde algo de energía. Además este se observa más arriba ya que el ángulo de salida es mayor, debido a que al realizar dos rebotes los rayos de luz cubren más distancia.
Fantástico fenómeno y genial la explicación de Laura. Hace poco tuve el placer de disfrutar de un arco iris doble con muy buena visibilidad. No conocía el fenómeno y fue fascinante. Adjunto una imagen para completar tu comentario.
Como complemento del experimento propuesto que es un clásico de los experimentos de luz desde que Newton desarrollo el experimento de la descomposición de la luz con un prisma planteamos usarlo como base para explicar el experimento complementario es decir la recombinación de la luz que previamente ha sido descompuesta. Esta idea está muy bien desarrollada en la siguiente dirección.
La explicación del fenómeno, con referencia a la reflexión y refracción de la luz en el agua del frasco, es muy adecuada y comprensible. A mayores podría incluirse una breve mención sobre la formación específica de un arco iris, destacando la dispersión de la luz y cómo diferentes colores se separan debido a sus longitudes de onda. Ejemplos Prácticos en la Vida Diaria del fenómeno: a) Lluvia y Salpicaduras de Agua: Después de una lluvia, la luz del sol puede crear arco iris al interactuar con las gotas de agua suspendidas en el aire o las salpicaduras de agua en el suelo; b) Rociador de Jardín: Al usar un rociador en el jardín en un día soleado, se pueden observar arco iris en las finas gotas de agua dispersas por el aire; c) Prismas y Cristales: Al pasar luz a través de prismas o cristales, se puede lograr la dispersión de la luz y observar un espectro de colores similar al arco iris; d) Gotas de Rocío en la Mañana: En la mañana, las gotas de rocío en hojas y flores pueden refractar la luz solar y crear pequeños arco iris; e) Lentes de Gafas y Gafas de Sol: Algunas lentes y tratamientos en gafas pueden simular el efecto de dispersión de la luz, creando colores similares a un arco iris.
Estos ejemplos ilustran cómo el fenómeno del arco iris está presente en diversas situaciones cotidianas, ya sea en la naturaleza, con dispositivos artificiales o incluso en accesorios de uso común.
La dispersión de la luz y la variación del índice de refracción con la longitud de onda tienen importantes aplicaciones en ciencia y tecnología, desde la espectroscopia utilizada para analizar la composición de materiales hasta la óptica en fotografía y arte.
En una línea similar a la que desarrolla mi compañera en el comentario anterior, las aplicaciones de la dispersión de luz en la ciencia son muchas. A mi me gustaría incidir en el funcionamiento de la tecnología NIR y de la espectroscopía Raman. La espectroscopia Raman es una técnica basada en la dispersión inelástica de la luz. La dispersión inelástica o Raman se produce cuando la energía cambia durante la colisión entre la luz monocromática y la molécula y, por tanto, la frecuencia de la luz dispersada también cambia. Estos cambios proporcionan información sobre la identidad molecular y la estructura de las muestras o material analizado. La espectroscopia del infrarrojo cercano NIR (Near Infrared) es una técnica basada en la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, dentro del rango de longitudes de onda de 780-2500 nm. Estas radiaciones absorbidas pueden relacionarse con diferentes propiedades de la muestra, ofreciendo información cualitativa y cuantitativa. Y para que sirve esto? En mi experiencia es muy útil para trabajar con materias primas en la industria alimentaria. Estas pruebas permiten realizar modelos cuantitativos o cualitativos, desde permitir identificar la especie de un producto, realizar una caracterización físico-química o detectar algún compuesto. Todo ello de manera no invasiva y sin ir a un laboratorio, lo que ahorra tiempos y destrucción de alimentos en perfecto estado.
El color del cielo está intrínsecamente vinculado a cómo se dispersa la luz solar, y este fenómeno no es uniforme. Cada tonalidad se debe a la diferente longitud de onda de cada color. Cuando los rayos solares atraviesan las capas de la atmósfera con distintas densidades, se doblan y se descomponen, similar a pasar por un prisma. Partículas suspendidas en la atmósfera hacen que esta luz descompuesta rebote y se refleje. Al atardecer, los rayos solares chocan en ángulos específicos, dividiendo y reflejando las longitudes de onda azules, lo que nos regala los tonos naranja y rojo. Este fenómeno, explicado por Lord Rayleigh en 1871, revela la “magia” detrás de los fascinantes colores del cielo. Además, nubes, polvo y humo también influyen en nuestra percepción del cielo. Por ejemplo, la lluvia mientras el sol brilla puede crear un arcoíris al dispersar la luz en sus diversas longitudes de onda.
Sen dúbida, os arcos da vella son un dos fenómenos naturais máis fascinantes que existen, ademais dun magnífico recurso para aumentar o nosos coñecementos sobre óptica. Este experimento de dispersión da luz podería complementarse con algunhas curiosidades sobre os arcos da vella… Segundo os estudos científicos, un arco da vella está composto por máis dun millón de cores, pero o ollo humano só pode percibir algúns deles. A intensidade destas cores depende do tamaño e da forma das gotas de auga. Aínda que algunhas lendas aseguran a existencia dun tesouro no final do arco da vella, o certo é que non se pode ver o seu fin, xa que este móvese coa nosa mirada debido a que as radiacións que o compoñen dependen do ángulo e da distancia á que nos atopemos. Os arcos da vella adoitan aparecer polas mañás ou polas tardes, cando o sol está máis baixo, sendo pouco frecuentes ao mediodía. Non obstante, tamén poden aparecer pola noite, constituíndo os chamados arcos da vella lunares, que se forman pola refracción e a difracción da luz da lúa sobre a choiva ou a néboa nocturna. Outro dato curioso respecto a este fenómeno é que dúas persoas nunca poderán ver o mesmo arco da vella, xa que cada unha observa dende un ángulo completamente diferente. A luz rebotada de certas gotas de choiva do arco da vella que ve unha persoa é diferente á que ve outra. Ademais, existen diferentes tipos de arcos da vella, como o de lume (producido pola refracción da luz solar a través de nubes cirros) ou o arco da vella sen cor (tamén chamado arco de néboa), no que a luz do sol interacciona coas gotas de auga da néboa, de menor tamaño, o que fai que se difuminen as cores. Por último, e aínda que se trate dun fermoso fenómeno, podemos facer desaparecer os arcos da vella… só temos que poñer unhas gafas polarizadas!
Me parece super interesante tratar todas estas curiosidades en el aula, pues ayudan a captar la atención del alumnado y a crear un aprendizaje más significativo. Además del halo solar (arco de lume), el arcoíris sin color y el arcoíris doble explicado por Laura en otro comentario, existen más tipos de arcoíris, como el arcoíris circuncenital (arco de Bravais) o el arco circunhorizontal, también conocido como arcoíris de fuego. El arcoíris circuncenital tiene forma de cuarto de esfera invertida en dirección al sol y se origina gracias a la refracción de la luz solar a través de los cristales de hielo de las nubes cirros. El arcoíris de fuego se llama así por su parecido con una llama, es corto, grueso y también se produce por la refracción de la luz solar a través de las nubes cirros. Sin embargo, para verlo, el sol tiene que situarse a más de 58º sobre el horizonte y los cristales de hielo de las nubes deben organizarse en placas paralelas al suelo, por lo que es mucho más difícil de observar que un arcoíris normal.
Esto sucede debido a la dispersión de la luz, donde la luz blanca, que en realidad está compuesta por diferentes colores, se separa cuando pasa a través del agua. Cada color tiene una longitud de onda diferente y se desvía ligeramente al pasar por el agua, creando este espectáculo vibrante de colores. Este sencillo pero llamativo experimento no solo nos muestra el arco iris, sino que también nos ayuda a comprender cómo la luz se comporta cuando interactúa con medios como el agua. La ciencia detrás de este fenómeno nos permite apreciar la forma en que la luz se despliega y revela su diversidad de colores a través de un experimento muy sencillo con recurso de nuestro alrededor y que ayudara a los estudiantes a comprender y afianzar mejor los conceptos a través de aprendizaje significativo.
El efecto de dispersión de la luz es increíblemente interesante, además, da explicación a uno de los eventos más bonitos y sorprendentes que podemos ver a veces en el cielo, el arcoiris. Es por esto, que me parece un tema que podría empezar a explicarse en edades bien tempranas, porque a pesar de ser algo complejo, el relacionarlo con algo que a los niños y niñas les despierta tanta ilusión y curiosidad, hace de puente conductor estupendo para despertar su curiosidad científica.