PropagaciÃ³n de la luz - FÃsica y QuÃmica

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Problemas de Física 2º Bachillerato (PAU)
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–Propagación de la luz–
1.–
El rayo de luz de un láser se dirige hacia la superficie del agua
contenida en un vaso por el lado inferior como se muestra en la figura
izquierda.
a) Se reflejará el rayo totalmente en la superficie entre el agua y el aire?
Escriba los cálculos que haga para responder y use 1,33 como índice de
refracción del agua.
b) ¿Cuál es el ángulo límite entre el aceite (n = 1,5) y el agua (n = 1,33)?
c) Conteste si añadir aceite, con un índice de refracción n = 1,5, sobre el
agua (figura de la derecha) serviría para que el rayo del láser no se refleje
totalmente y pueda salir por la parte superior del aceite. Responda
describiendo o dibujando la trayectoria del rayo.
2.–
Un rayo azul y otro rojo siguen la misma línea por el aire hasta que
alcanzan una superficie de vidrio. El índice de refracción del vidrio es menor
cuanto mayor es la longitud de onda de la luz. ¿Qué rayo permanece por
encima del otro después de la refracción?
3.–
Un rayo de luz se propaga por una fibra de cuarzo con velocidad de
2·108 m s–1, como muestra la figura. Teniendo en cuenta que el medio que
rodea a la fibra es aire, calcule el ángulo mínimo con el que el rayo debe
incidir sobre la superficie de separación cuarzo–aire para que éste quede
confinado en el interior de la fibra.
Datos: Índice de refracción del aire na = 1 ; Velocidad de la luz en el aire:
va = 3,00·108 m s–1
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4.–
Las fibras ópticas son varillas delgadas de vidrio que permiten la
propagación y el guiado de la luz por su interior, de forma que ésta entra por
un extremo y sale por el opuesto pero no escapa lateralmente, tal como ilustra
la figura. Explique brevemente el fenómeno que permite su funcionamiento,
utilizando la ley física que lo justifica.
5.–
Un rayo de luz incide perpendicularmente sobre una de las caras de un
prisma con forma de triángulo equilátero y rodeado de aire, a una distancia de
1 cm de un vértice, como indica la figura.
a) Calcule y dibuje la trayectoria del rayo en el interior del prisma y en el
aire.
b) ¿Cuál es el punto por el que el rayo abandona el prisma?
c) Calcule el tiempo que viaja la luz por el interior del prisma.
Datos: Velocidad de la luz en el vacío: c = 3,00·108 m s–1 ;
del prisma = 1,8 ; Índice de refracción del aire = 1
Índice de refracción
Licencia Creative Commons 3.0. Autor: Antonio José Vasco Merino
02/05/2015
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6.–
Se hace incidir un rayo de luz sobre la cara plana de una sección de
lente semicircular hecha de vidrio. El rayo forma un ángulo i con la normal y
se refracta dentro de la lente con un ángulo r (véase esquema). El
experimento se repite cuatro veces. En la tabla se dan (en grados) los valores
de los ángulos i y los ángulos r correspondientes.
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i (º)
12
28
44
58
r (º)
7,5
17,0
26,5
33,0
a) Explique cómo puede determinarse con estos datos el índice de
refracción n del vidrio de la lámina.
b) Calcule el valor de dicho índice y el valor de la velocidad de la luz
dentro del vidrio.
Datos: Velocidad de la luz en el vacío: c = 3,00·108 m s–1
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7.–
Un rayo de luz de longitud de onda en el vacío λ0 = 650 nm incide desde
el aire sobre el extremo de una fibra óptica formando un ángulo θ con el eje
de la fibra (ver figura), siendo el índice de refracción n1 dentro de la fibra
1,48.
a) ¿Cuál es la longitud de onda de la luz dentro de la fibra?
b) La fibra está revestida de un material de índice de refracción n2 = 1,44.
c) ¿Cuál es el valor máximo del ángulo θ para que se produzca reflexión
total interna en P?
8.–
Responda, razonadamente, las siguientes cuestiones:
a) Explique los fenómenos de reflexión y de refracción de una onda y
enuncie las leyes que los rigen. ¿Cuándo se produce el fenómeno de la
reflexión total?
b) Un rayo de luz monocromática, de frecuencia f = 5,0·1014 Hz, atraviesa
un vidrio con una velocidad v = 1,8·108 m s–1, e incide sobre la superficie
de separación vidrio–aire con un ángulo α1 = 30º. El rayo refractado
emerge formando un ángulo α2 = 56º con la normal a la superficie de
separación. Determine el ángulo límite y la longitud de onda en ambos
medios.
9.–
a) Enuncie e ilustre detalladamente las leyes que rigen los fenómenos de
reflexión y refracción de un haz de luz.
b) Un haz de luz de frecuencia f = 5·1014 s–1 incide sobre un vidrio de
índice de refracción n = 1,52 y anchura d. Si el ángulo que forma el haz
incidente con la normal en el aire (naire = 1,00) es de 30º, determine:
b.1) la longitud de onda del haz de luz en el aire y en el vidrio;
b.2) el ángulo que forma el haz con la normal mientras atraviesa el
vidrio y cuando emerge de nuevo en el aire.
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10.–
¿Qué analogías y diferencias esenciales se pueden establecer entre las ondas de sonido y las
ondas luminosas? Explique brevemente el origen de ambas. Comente lo que sepas sobre el espectro de
las ondas electromagnéticas.
11.–
a) ¿Qué se entiende por interferencia de la luz?
b) ¿Por qué no observamos la interferencia de la luz producida por los dos faros de un automóvil?
12.–
a) ¿Qué es una onda electromagnética?
b) ¿Cambian las magnitudes características de una onda electromagnética que se propaga en el aire
al penetrar en un bloque de vidrio? Si cambia alguna, ¿aumenta o disminuye? ¿Por qué?
13.–
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a) Enuncie las leyes de la reflexión y de la refracción de la luz. Explique la diferencia entre ambos
fenómenos.
b) Compare lo que ocurre cuando un haz de luz incide sobre un espejo y sobre un vidrio de ventana.
14.–
Cuando un rayo de luz se propaga a través del agua (n= 1,33) emerge hacia el aire para ciertos
valores del ángulo de incidencia y para otros no.
a) Explique este fenómeno e indique para qué valores del ángulo de incidencia emerge el rayo.
b) ¿Cabría esperar un hecho similar si la luz pasa del aire al agua?
15.–
a) Explique en qué consiste el fenómeno de la refracción de la luz y enuncie sus leyes.
b) Un haz de luz pasa del aire al agua. Razone cómo cambian su frecuencia, longitud de onda y
velocidad de propagación.
16.–
a) ¿Qué se entiende por refracción de la luz? Explique qué es el ángulo límite y, utilizando un
diagrama de rayos, indique cómo se determina.
b) Una fibra óptica es un hilo transparente a lo largo del cual puede propagarse la luz, sin salir al
exterior. Explique por qué la luz “no se escapa” a través de las paredes de la fibra.
17.–
a) Explique, con ayuda de un esquema, en qué consiste el fenómeno de la dispersión de la luz blanca
a través de un prisma de vidrio.
b) ¿Ocurre el mismo fenómeno si la luz blanca atraviesa una lámina de vidrio de caras paralelas?
18.–
a) Explique en qué consiste la reflexión total. ¿En qué condiciones se produce?
b) ¿Por qué la profundidad real de una piscina llena de agua es mayor que la profundidad aparente?
19.–
a) Explique, con ayuda de un esquema, los fenómenos de refracción de la luz y de reflexión total.
b) El índice de refracción de las sustancias disminuye al aumentar la longitud de onda. ¿Se desviará
más la luz roja o la azul cuando los rayos inciden en el agua desde el aire?
20.–
a) ¿Por qué la profundidad real de una piscina llena de agua es siempre mayor que la profundidad
aparente?
b) Explique qué es el ángulo límite y bajo qué condiciones puede observarse.
21.–
Un rayo de luz pasa de un medio a otro, en el que se propaga a mayor velocidad.
a) Indique cómo varían la longitud de onda, la frecuencia y el ángulo que forma dicho rayo con la
normal a la superficie de separación, al pasar del primero al segundo medio.
b) Razone si el rayo de luz pasará al segundo medio, independientemente de cuál sea el valor del
ángulo de incidencia.
22.–
a) Enuncie las leyes de la reflexión y de la refracción de la luz, explicando las diferencias entre
ambos fenómenos.
b) Un rayo de luz pasa de un medio a otro más denso. Indique cómo varían las siguientes
magnitudes: amplitud, frecuencia, longitud de onda y velocidad de propagación.
23.–
a) Describa los fenómenos de reflexión y de refracción de la luz.
b) Explique las condiciones que deben cumplirse entre dos medios para que el rayo incidente no se
refracte.
24.–
a) Explique qué es el ángulo límite y qué condiciones deben cumplirse para que pueda observarse.
b) Razone por qué la profundidad real de una piscina llena de agua es mayor que la profundidad
aparente.
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25.–
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a) Explique el fenómeno de dispersión de la luz.
b) ¿Qué es el índice de refracción de un medio? Razone cómo cambian la frecuencia y la longitud de
onda de una luz láser al pasar del aire al interior de una lámina de vidrio.
26.–
Un teléfono móvil opera con ondas electromagnéticas cuya frecuencia es 1,2·109 Hz.
a) Determine la longitud de onda.
b) Esas ondas entran en un medio en el que la velocidad de propagación se reduce a 5c/6. Determine
el índice de refracción del medio y la frecuencia y la longitud de onda en dicho medio.
–1
20 ºC vs = 340 m s
27.–
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Velocidad del sonido en el aire a
Una antena emite una onda de radio de 6·107 Hz.
a) Explique las diferencias entre esa onda y una onda sonora de la misma longitud de onda y
determine la frecuencia de esta última.
b) La onda de radio penetra en un medio material y su velocidad se reduce a 0,75 c. Determine su
frecuencia y su longitud de onda en ese medio.
–1
vs = 340 m s
28.–
naire = 1 ;
Velocidad del sonido en el aire a 20 ºC
a) Un rayo de luz monocromática emerge al aire, desde el interior de un bloque de vidrio, en una
dirección que forma un ángulo de 30º con la normal a la superficie. Dibuje en un esquema los rayos
incidente y refractado y calcule el ángulo de incidencia y la velocidad de propagación de la luz en
el vidrio.
b) ¿Existen ángulos de incidencia para los que no sale luz del vidrio? Explique este fenómeno y
calcule el ángulo límite.
naire = 1 ;
nvidrio = 1,5
29.–
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a) Enuncie y explique, utilizando los esquemas adecuados, las leyes de la reflexión y refracción de la
luz.
b) Un rayo láser pasa de un medio a otro, de menor índice de refracción. Explique si el ángulo de
refracción es mayor o menor que el de incidencia. ¿Podría existir reflexión total?
30.–
a) Explique cuándo se produce el fenómeno de la reflexión total.
b) Determine el ángulo límite entre dos medios de índice de refracción 1,4 y 1,7.
31.–
Un rayo de luz atraviesa una lámina de caras planas y paralelas hecha de vidrio de índice de
refracción = 1,4. El rayo incide con un ángulo de 45° respecto a la normal. Calcule el ángulo que
forma el rayo dentro del vidrio con la normal y dibuje la trayectoria del rayo.
32.–
¿Qué ley física prevé la reflexión total y en qué condiciones se produce? Razone la respuesta.
33.–
Explique de forma concisa el significado físico del índice de refracción y cómo influye el
cambio de dicho índice en la trayectoria de un rayo.
34.–
¿Por qué se dispersa la luz blanca al atravesar un prisma? Explique brevemente este fenómeno.
35.–
Un rayo de luz monocromática atraviesa el vidrio de una ventana que separa dos ambientes en
los que el medio es el aire. Si el espesor del vidrio es de 6,0 mm y el rayo incide con un ángulo de 30º
respecto a la normal:
a) dibuje el esquema de la trayectoria del rayo y calcule la longitud de ésta en el interior del vidrio;
b) calcule el ángulo que forman las direcciones de los rayos incidente y emergente en el aire.
Datos: Índice de refracción del vidrio, nvidrio = 1,50
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36.–
Los índices de refracción del aire y del diamante son, respectivamente, 1,0 y 2,4. ¿En cuál de
dichos medios se propaga la luz con mayor velocidad, y de cuál de ellos debe partir la luz para que
pueda tener lugar el fenómeno de reflexión total? Justifique brevemente las respuestas.
37.–
Enuncie el Principio de Huygens y explique el fenómeno de la difracción.
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38.–
Enuncie, e ilustre mediante diagramas de rayos, las leyes de la reflexión y la refracción de la luz.
Además determine el ángulo límite para el fenómeno de la reflexión total entre los medios materiales
aire y diamante, cuyos índices de refracción son 1,0 y 2,4 respectivamente.
39.–
a) Explique en qué consiste la hipermetropía.
b) ¿Con qué tipo de lentes se corrige este defecto visual?
c) ¿Causa este defecto más problemas al conducir un coche o al leer un mensaje?
40.–
Un rayo de luz de longitud de onda 550 nm, que se mueve en un vidrio de índice de refracción
1,55 para esa longitud de onda, alcanza la superficie de separación entre el vidrio y el aire, incidiendo
con un ángulo de 15° respecto a la normal a dicha superficie.
a) Dibuje un esquema del proceso descrito y halle el ángulo de refracción que experimenta el rayo.
b) Halle el ángulo límite de reflexión total en ese vidrio para este tipo de luz.
41.–
Una partícula de tierra está incrustada bajo la superficie de una plancha de hielo (n = 1,309). Su
profundidad aparente, ¿es mayor o menor que la profundidad real? Justifique su respuesta.
42.–
Diseñe una experiencia de laboratorio en la que se ponga de manifiesto el fenómeno de la
reflexión total. Detalle el procedimiento, los materiales empleados y el fundamento teórico. Acompañe
su explicación de un diagrama.
43.–
a) ¿Qué entiende por reflexión total y ángulo límite?
b) El índice de refracción del diamante es 2,5 y el de un vidrio, 1,4. ¿Cuál es el ángulo límite cuando
la luz incide desde el diamante hacia el vidrio?
44.–
Describa el fenómeno de la refracción y enuncie sus leyes.
45.–
En el laboratorio del instituto se han medido los siguientes ángulos de refracción cuando un haz
luminoso incide desde un vidrio hacía el aire (naire = 1) para observar el fenómeno de la reflexión total.
De acuerdo con los datos de la práctica responde a las siguientes cuestiones:
a) Cuando un rayo luminoso pasa de un medio homogéneo como el vidrio, a otro medio, también
homogéneo como el aire sufre una refracción de tal modo que el rayo refractado, ¿se aleja o se
acerca a la normal?
b) ¿A qué llamamos ángulo límite?. Determínelo.
c) ¿Qué condiciones deben cumplir los medios para que se produzca la reflexión total?
d) Para ángulos de incidencia mayores que el ángulo límite, la luz:
d.1) se refleja;
d.2) se refracta;
d.3) se refleja y se refracta.
Experiencia
1
2
3
4
Ángulo de incidencia
15º
25º
35º
42º
Ángulo de refracción
23º
39º
60º
90º
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46.–
En el laboratorio del instituto se han medido los siguientes ángulos de refracción cuando un haz
luminoso incide desde un vidrio hacía el aire (naire = 1) para observar el fenómeno de la reflexión total.
De acuerdo con los datos de la práctica responda a las siguientes cuestiones:
a) Cuando un rayo luminoso pasa de un medio homogéneo como el vidrio, a otro medio, también
homogéneo, como el aire sufre una refracción de tal modo que el rayo refractado, ¿se aleja o se
acerca a la normal?
b) ¿A qué llamamos ángulo límite? Determínelo en base a la tabla adjunta.
d) Para ángulos de incidencia mayores que el ángulo límite, la luz:
d.1) se refleja;
d.1)
se refracta;
d.2) se refleja y se refracta.
Experiencia
1
2
3
4
20º
30º
40º
44º
28º
45º
68º
90º
47.–
En un laboratorio se han medido los siguientes ángulos de refracción cuando un haz luminoso
incide desde el agua hacía el aire (naire = 1) para observar el fenómeno de la reflexión total. De acuerdo
con los datos de la práctica responda a las siguientes cuestiones:
a) Cuando un rayo luminoso pasa de un medio homogéneo como el agua, a otro medio, también
homogéneo como el aire sufre una refracción de tal modo que el rayo refractado, ¿se aleja o se
acerca a la normal?
b) ¿A qué llamamos ángulo límite? Determínelo en base a la tabla adjunta.
48.–
9
Experiencia
1
2
3
4
24º
32º
38º
48º
33º
45º
55º
90º
a) Explique la Hipótesis de Planck y algún fenómeno físico que avale dicha hipótesis.
b) Calcule la energía de un fotón de luz verde de longitud de onda de 5,2·10–8 m.
Datos: Constante de Planck: h = 6,626·10–34 J s ; Velocidad de la luz en el vacío: c = 3,00·108 m s–1
9
49.–
Un láser pulsante NdYag de los utilizados en soldadura industrial tiene una longitud de onda en
el vacio de de 1064 nm . Determine su velocidad de propagación, frecuencia y longitud de onda
cuando se propaga por un vidrio de índice de refracción n = 1,42.
Datos: 1 nm = 10–9 m ; Velocidad de la luz en el vacío: c = 3,00·108 m s–1
50.–
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a) Defina los conceptos de reflexión total y de ángulo límite.
b) Desde el fondo de una piscina se lanzan dos rayos de luz dirigidos hacia la superficie, el primero
forma con la normal un ángulo de 36º y el segundo un ángulo de 42º. ¿Sufrirá reflexión total alguno
de ellos?
Datos: Índice de refracción del agua n = 1,33
51.–
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a) Determine la velocidad de la luz en el etanol teniendo en cuenta que su índice de refracción
absoluto es n = 1,36.
b) Un haz de luz roja cuya longitud de onda en el aire es de 695 nm penetra en dicho alcohol. Si el
ángulo de incidencia es de 30º, ¿cuál es el ángulo de refracción? ¿Cuál es la longitud de onda y la
frecuencia del haz de luz en el alcohol?
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a) En un día de verano una persona observa un espejismo sobre el asfalto de la carretera y cree ver
un charco de agua donde no lo hay. Dé una explicación de dicho fenómeno.
b) Una persona mira en el interior de un estanque lleno de agua que contiene un pez. ¿Por qué le
parece que dicho pez está más cerca de la superficie de lo que realmente está? Justifique su
respuesta apoyándose en un dibujo en el que se muestre la marcha de los rayos luminosos.
53.–
a) Enuncie y explique la ley de Snell de la refracción.
b) Si se introduce una pieza de vidrio pírex en un recipiente de glicerina, ambos con índice de
refracción npírex = nglicerina = 1,45, ¿qué se observa desde el exterior?
54.–
Un prisma equilátero tiene un índice de refracción nR = 1,44 para la luz roja y nV = 1,46 para la
luz violeta. Si ambas luces monocromáticas inciden sobre el prisma con un ángulo de incidencia de
45º:
a) calcule el ángulo de salida para la luz roja;
b) determine el ángulo que forman entre si los rayos emergentes de ambas luces.
55.–
La estrella más cercana a la Tierra dista 4 años–luz y puede observarse con un telescopio.
a) Si en la estrella citada se produce una explosión, ¿se daría cuenta de ello inmediatamente el
observador terrestre que mirase a través del telescopio? Explique su respuesta.
b) ¿Cuántos kilómetros recorre la luz procedente de la estrella antes de llegar al telescopio?
9
56.–
La amplitud máxima del campo eléctrico de les ondas de radio, de una frecuencia de 100 MHz,
que recibe un receptor de radio, tiene un valor de 0,070 N C–1.
a) Calcule el valor de la amplitud máxima del campo magnético que recibe el receptor de radio y la
longitud de onda de estas ondas. Haga un dibujo en el que se vea la orientación relativa de los dos
campos entre sí y respecto de la dirección de propagación de la onda electromagnética.
b) Escriba la ecuación del campo eléctrico y la del campo magnético que recibe el receptor de radio.
9
9
57.–
Describa el fenómeno de la polarización de las ondas. ¿Qué tipo de ondas pueden ser
polarizadas? ¿Puede polarizarse el sonido? ¿Y la luz?
58.–
Una onda luminosa de frecuencia 6·1014 s–1 pasa a través de un líquido. Dentro de éste, la
longitud de onda es 3·10–5 cm.
a) ¿Cuál es la velocidad de la luz en ese líquido?
b) ¿Cuál será su longitud de onda en el vacío?
c) ¿Cuál es el índice de refracción del líquido para esa frecuencia?
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9
9
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59.–
Ondas sonoras y ondas luminosas. Diferencias y analogías.
60.–
Teorías sobre la naturaleza de la luz. Ondas y corpúsculos. Hechos experimentales que avalan
estas teorías.
61.–
Ondas polarizadas.
62.–
La intensidad de la luz solar en la superficie terrestre vale aproximadamente 1400 T m–2. Si la
energía media de los fotones es 2 eV, calcule:
a) la frecuencia media de cada fotón;
b) la longitud de onda que corresponde a esa energía media;
c) el número de fotones que inciden cada hora en una superficie de 1 m2.
Datos: Valor absoluto de la carga del electrón: e = 1,60·10–19 C ;
–34
Constante de Planck: h = 6,63·10
Js
9
63.–
Un láser de potencia nominal 5 mT emite sólo un 15% de su potencia en forma de luz roja con
una longitud de onda de 650 nm. Determine:
a) la frecuencia y la energía de cada fotón;
b) el número de fotones emitidos por segundo;
c) la longitud de onda y la velocidad cuando la luz atraviesa un vidrio cuyo índice de refracción es
1,35.
Datos: Valor absoluto de la carga del electrón: e = 1,60·10–19 C ;
–9
1 nm = 10 m
Constante de Planck: h = 6,63·10–34 J s ;
64.–
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9
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a) Reflexión y refracción de ondas: concepto, índice de refracción, leyes...
b) Conceptos de ángulo límite y reflexión total.
65.–
Razone si el siguiente enunciado es cierto o falso: “Cuando la luz pasa de un medio a otro se
modifica su velocidad pero no su frecuencia”.
66.–
Un rayo de luz monocromático, que se propaga en el vacío con una longitud de onda de 726 nm
y a una velocidad de 3,00·108 m s–1, incide sobre la superficie plana de un diamante, formando un
ángulo de 45° con la recta normal a dicha superficie. Sabiendo que el índice de refracción del
diamante es 2,42, averigüe:
a) la velocidad de propagación y la longitud de onda de la luz en el interior del diamante;
b) el ángulo que forma el rayo refractado con la recta normal a la superficie.
67.–
Razone si el siguiente enunciado es CIERTO o FALSO: “El índice de refracción de la luz en un
medio material tiene que ser siempre menor que la unidad”.
68.–
Diga si la siguiente frase es CIERTA o FALSA y razone la respuesta: “La luz es una onda
electromagnética longitudinal”.
69.–
Un rayo de luz incide en la superficie plana de separación de dos medios, produciéndose
reflexión y refracción. Si el ángulo de reflexión es de 28°, el de refracción de 35° y el índice de
refracción del primer medio es 1,3, determine:
a) el índice de refracción del segundo medio;
b) el ángulo de incidencia para el que se produce la reflexión total.
70.–
Una onda luminosa:
a) no se puede polarizar;
b) su velocidad de propagación es inversamente proporcional al índice de refracción del medio;
c) puede no ser electromagnética.
71.–
Un rayo de luz incide desde el aire (n = 1) sobre una lámina de vidrio de índice de refracción
n =1,5. El ángulo límite para la reflexión total de este rayo es:
a) 41,8 º;
b) 90º;
c) no existe.
72.–
La luz visible abarca un rango de frecuencias que va desde (aproximadamente) 4,3·1014 Hz
(rojo) hasta 7,5·1014 Hz (ultravioleta). ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta?
a) La luz roja tiene menor longitud de onda que la ultravioleta.
b) La luz ultravioleta es la más energética del espectro visible.
c) Ambas aumentan su longitud de onda en un medio con mayor índice de refracción que el aire.
73.–
Cuando un rayo de luz monocromática pasa desde el aire al agua (nagua = 4/3), se produce un
cambio:
a) en la frecuencia;
b) en la longitud de onda;
c) en la energía.
74.–
En el fondo de una piscina hay un foco de luz. Observando la superficie del agua se va a ver luz:
a) en toda la piscina;
b) solo en un punto encima del foco;
c) en un círculo de radio R alrededor de un punto encima del foco.
9
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75.–
Una onda de luz está polarizada por un polarizador A y atraviesa un segundo polarizador B
colocado después de A. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta con respecto a la luz después
de pasar por B?
a) No hay luz si A y B son paralelos entre sí.
b) No hay luz si A y B son perpendiculares entre sí.
c) Hay luz independientemente de la orientación relativa de A y B.
76.–
La densidad de la atmósfera decrece con la altura y con ello el índice de refracción. Explique por
qué puede verse el Sol después de su puesta.
77.–
Un rayo de luz incide desde el aire sobre una sustancia transparente con un ángulo de 58º
respecto a la normal. Se observa que los rayos reflejado y refractado son mutuamente perpendiculares.
a) ¿Cuál es el índice de refracción de la sustancia transparente?
b) ¿Cuál es el ángulo límite para la reflexión total interna en esta sustancia?
78.–
Un rayo de luz pasa del aire al agua incidiendo en la superficie de separación con un ángulo de
45°. Conteste cuáles de las siguientes magnitudes de la luz se modifican cuando penetra en el agua:
a) La longitud de onda.
b) La frecuencia.
c) La velocidad de propagación.
d) La dirección de propagación.
Razone la respuesta.
79.–
¿Qué analogías y diferencias esenciales se pueden establecer entre los Rayos X y los rayos γ?
Explique brevemente el origen de ambas radiaciones.
80.–
Discuta la veracidad o falsedad de las siguientes afirmaciones:
a) Un fotón de luz roja tiene mayor longitud de onda que un fotón de luz azul.
b) Un fotón de luz amarilla tiene mayor frecuencia que un fotón de luz azul.
c) Un fotón de luz verde tiene menor velocidad de propagación en el vacío que un fotón de luz
amarilla.
d) Un fotón de luz naranja es más energético que un fotón de luz roja.
81.–
a) Enuncie las leyes de la reflexión y de la refracción de la luz y efectúe los esquemas gráficos
correspondientes.
b) Defina el concepto de ángulo límite y explique el fenómeno de reflexión total.
82.–
a) Explique el fenómeno de la reflexión total y las condiciones en las que se produce.
b) Calcule el ángulo a partir del cual se produce reflexión total entre un medio material en el que la
luz se propaga a una velocidad v = 1,5·108 m s–1 y el aire. Tenga en cuenta que la luz en su
propagación pasa del medio material al aire.
Índice de refracción del aire, n = 1,0
83.–
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a) Describa brevemente los fenómenos de refracción y dispersión de la luz. ¿Con un rayo de luz
monocromática se pueden poner de manifiesto ambos fenómenos?
b) ¿Por qué no se observa dispersión cuando un haz de rayos paralelos de luz blanca atraviesa una
lámina de vidrio de caras planas y paralelas?
84.–
a) Indique las diferencias que, a su juicio, existen entre los fenómenos de refracción y de dispersión
de la luz. ¿Puede un rayo de luz monocromática sufrir ambos fenómenos?
b) ¿Por qué no se observa dispersión cuando la luz blanca atraviesa una lámina de vidrio de caras
plano–paralelas?
85.–
¿Cuáles de las siguientes ondas se pueden propagar en el vacío y cuáles no: sonido, luz,
microondas y ondas de radio?
86.–
9
02/05/2015
Una emisora de FM emite ondas de 108 MHz con una potencia de 20 T. Calcule:
a) el período y la longitud de onda de la radiación;
b) La intensidad de las ondas a 3 km de distancia de la emisora;
c) el número de fotones emitidos por la antena durante una hora.
Datos: Constante de Planck: h = 6,626·10–34 J s
9
87.–
Un panel solar de 1 m2 de superficie posee lentes de 17,6 cm de focal para concentrar la luz en
las células fotovoltaicas, hechas de silicio. En un determinado momento la radiación solar incide con
una intensidad de 1000 T m–2 y formando un ángulo de 30º con la normal a la superficie del panel.
Calcule:
a) la potencia de las lentes;
b) el ángulo de refracción de la luz transmitida dentro de la células de silicio;
c) el número de fotones que inciden sobre el panel durante 1 minuto. Considere que toda la radiación
es de 5·10–14 Hz.
Datos: Índice de refracción del silicio n = 3,60 ; Constante de Planck: h = 6,626·10–34 J s
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88.–
Razone si la longitud de onda de una luz cuando penetra en el agua es mayor, igual o menor que
la que tiene en el aire.
89.–
a) Describa en qué consiste el fenómeno de refracción de la luz enunciando las leyes que lo rigen.
Indique bajo qué condiciones se produce el fenómeno de reflexión total interna.
b) Un rayo de luz monocromática atraviesa un vidrio con una velocidad v = 1,8·108 m s–1 e incide
sobre la superficie de separación vidrio–aire con un ángulo de incidencia αi = 30°. El rayo
refractado presenta un ángulo de refracción en el aire de αr = 56°. Determine el ángulo límite.
90.–
a) Un recipiente cúbico de paredes opacas y 25 cm de lado, con sus caras orientadas hacia los puntos
cardinales, está abierto en su parte superior y se coloca sobre una superficie horizontal. El Sol está
situado en la dirección Sur, de modo que los rayos que provienen del mismo e inciden sobre el
recipiente forman 60º con la horizontal. ¿Qué longitud tiene la sombra formada en el fondo del
recipiente por la pared vertical del mismo? Si posteriormente se llena de agua con índice de
refracción 1,33 hasta 20 cm de altura, ¿en cuánto aumenta o disminuye la longitud de la sombra
anterior?
b) ¿Qué es el arco iris? Explique su formación.
91.–
a) El índice de refracción del agua disminuye al hacerlo la frecuencia de la luz. Al incidir en agua
rayos de luz desde el aire, ¿se desviará más la luz azul o la roja?
b) La luz del Sol incide sobre una ventana de 4,2 m de alto y 2,5 m de ancho en la pared vertical de
un edificio orientada exactamente hacia el Sur, reflejándose hacia el exterior. Si en ese momento el
Sol se encuentra en la dirección Sur de tal modo que los rayos que provienen de él forman 40º con
la horizontal, ¿qué forma y tamaño tiene la mancha brillante del reflejo en el suelo horizontal de la
calle?
92.–
¿Qué es un eclipse de Sol? Existen dos tipos de eclipses de Sol, uno llamado total y otro llamado
parcial. Explique mediante diagramas la formación de ambos eclipses. ¿Por qué el eclipse de Sol se ve
sólo desde ciertas zonas pequeñas de la Tierra y el de Luna se ve desde zonas extensas?
93.–
a) Un rayo de luz blanca incide perpendicularmente sobre la superficie del agua. ¿Se observará el
fenómeno de la dispersión cromática en la luz que se propaga por el agua?
b) Una onda luminosa viaja por un medio con velocidad c1 e incide sobre la frontera de separación
con otro medio donde la velocidad de propagación es c2 = 2c1. Si el ángulo de incidencia es θi = 10º,
b.1) calcule el ángulo de refracción;
b.2) ¿a partir de que ángulo de incidencia se producirá reflexión total?
94.–
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15º
25º
35º
50º
64º
10º
16º
22º
30º
36º
Utilizando un método gráfico determine el índice de refracción del vidrio.
95.–
En un recipiente de fondo plano y 25 cm de profundidad se tiene un líquido de índice de
refracción 1,32 para el color rojo y 1,35 para el color violeta. El fondo del recipiente es totalmente
blanco. Al incidir luz blanca en la superficie con un ángulo de incidencia de 27º, la luz se refracta en el
interior del líquido. Realice un esquema con los rayos refractados y determine la separación en
milímetros entre la luz roja y la violeta en el fondo del recipiente
96.–
El cuarzo fundido tiene un índice de refracción que decrece con la longitud de onda de la luz.
Para el extremo violeta es n = 1,472, mientras que para el extremo rojo es n = 1,455. Cuando luz
blanca (con todas las longitudes de onda desde el rojo al violeta) incide desde el aire sobre una
superficie de cuarzo fundido con un ángulo de incidencia de 20º se forma un espectro.
a) ¿Qué se refracta más el rojo o el violeta? (explíquese incluyendo un dibujo).
b) Determine la separación angular en minutos de arco sexagesimal de los rayos refractados para los
extremos rojo y violeta.
97.–
a) Describa el fenómeno de difracción de las ondas (incluya algún esquema).
b) Un fotón tiene una longitud de onda en el vacío asociada de 500 nm. ¿Si se duplica su energía,
cuál es su nueva longitud de onda asociada en el vacío?
98.–
Un haz de luz que es monocromática tiene una frecuencia de 9,2·1014 Hz.
a) ¿Cuál es su longitud de onda?
b) ¿Qué cantidad de movimiento tiene uno de sus fotones?
c) ¿Qué energía tiene uno de sus fotones?
d) Si se dobla la frecuencia de la radiación, ¿Cómo se modifica la longitud de onda?
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02/05/2015
a) Enuncie el Principio de Huygens y exponga brevemente una aplicación del mismo.
b) En un experimento para determinar el índice de refracción de un vidrio se hacen llegar rayos
incidentes a una superficie plana desde el aire hacia el vidrio. Se han obtenido los siguientes
resultados:
9
Constante de Planck: h = 6,63·10–34 J s
99.–
Una lámina de vidrio de caras plano–paralelas, situada en el aire, tiene un índice de refracción de
1,75 y un espesor de 10 cm. Un rayo de luz con una longitud de onda de 450 nm incide sobre él
formando un ángulo de 45°. Calcule:
a) la velocidad de la luz en el interior del material;
b) el ángulo con el que sale refractado el rayo de luz incidente hacia el interior del material.
c) En la segunda de las refracciones, esto es, cuando el rayo ya ha atravesado la lámina y va a salir
del material, se puede producir el fenómeno de reflexión total. ¿A partir de qué ángulo se dará este
fenómeno?
d) En un cierto momento la lámina se sustituye por otra cuyo índice de refracción es 2, ¿a partir de
qué ángulo se produce ahora el fenómeno de reflexión total?
9
100.– Un rayo de luz tiene una frecuencia υ = 8·1014 Hz. Calcule:
a) la energía de cada uno de los fotones de esa luz;
b) el momento de cada uno de los fotones de la luz.
c) En un cierto instante se cambia la luz del rayo por una cuya longitud de onda es el doble. ¿Cómo
se modifica la energía de cada uno de los fotones del rayo?
d) ¿Al hacer el cambio se modifica también el momento de los fotones? ¿ Cómo?
Datos: Constante de Planck: h = 6,63·10–34 J s ; Velocidad de la luz en el vacío: c = 3,00·108 m s–1
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02/05/2015
101.– Un rayo del luz azul tiene una longitud de onda de 420 nm en el vacío. Determine:
a) su frecuencia;
b) la longitud de onda y la velocidad que tiene la onda en el interior de un material con índice de
refracción n = 1,76.
c) Una vez que se ha atrapado la luz dentro del material no se quiere que se escape, con que ángulo
mínimo se tendrá que hacer incidir esta luz sobre la superficie interna del material.
d) Si la luz fuese verde en lugar de azul, ¿cuál sería ese ángulo?
102.– Un diodo emisor de luz (o LED) emite un rayo de luz monocromático de longitud de onda
580 nm en el vacío. Determine:
a) la frecuencia de la luz emitida;
b) la velocidad y la longitud de onda de esa luz en el interior de una fibra de vidrio cuyo índice de
refracción vale 2,033.
c) Al final de la fibra de vidrio el rayo de luz encuentra una zona llena de glicerina cuyo índice de
refracción es de 1,470. Explique si en este cambio de medio el rayo puede sufrir (o no) una
reflexión total. En caso de que sí pueda sufrirlo, calcule el ángulo de incidencia a partir del que se
produce el fenómeno.
d) Sabiendo que el rayo sale de la primera refracción (esto es, de la que hay entre el vacío y la fibra
óptica) formando un ángulo de 30º con la perpendicular a la superficie, diga con qué ángulo incidió
el rayo en la superficie que separa los dos medios.
9
103.– Un rayo de luz amarilla emitido por una lámpara de sodio tiene una longitud de onda en el vacío
que vale λ = 6,11·10–7 m. Determine:
a) la velocidad de los fotones de esta radiación en el interior de una lámina de arseniuro de galio,
cuyo índice de refracción es (aproximadamente) 4,025;
b) la frecuencia de la radiación;
c) la longitud de onda de los fotones que componen la radiación cuando estamos dentro de la lámina
de arseniuro de galio.
d) Una vez que el rayo atraviesa la lámina de arseniuro de galio, este vuelve a propagarse por el aire.
¿Es este rayo paralelo al rayo incidente? Explique razonadamente la respuesta.
9
104.– Un diodo LED emite un haz de luz monocromático de longitud de onda 500 nm en el vacío.
a) Calcule la frecuencia de la luz emitida en el vacío.
b) Si el rayo de luz entra en un recipiente de agua, ¿cuál es el valor de la longitud de onda de la luz?
c) ¿Cambia la frecuencia de la luz al entrar en el agua? Justifique su respuesta.
d) En el momento en que el rayo entra en el material, ¿es posible que se dé el fenómeno de reflexión
total? Explique de forma breve el por qué de la respuesta que ha dado.
Datos: nagua = 1,33 ;
h = 6,626·10–34 J s
9
Velocidad de la luz en el vacío: c = 3,00·108 m s–1 ;
Constante de Planck:
105.– Un rayo de luz se propaga en el interior de una fibra óptica de cuarzo rodeada de aire. Calcule el
ángulo de incidencia mínimo con el que debe llegar a la interfaz cuarzo–aire para que experimente un
fenómeno de reflexión total de modo que pueda seguir propagándose por el interior de la fibra sin
experimentar ninguna atenuación.
Datos: Índice de refracción del aire: naire = 1,000 n ; índice de refracción del cuarzo: ncuarzo = 1,458 n
9
106.– Un rayo de luz monocromática incide desde el aire sobre una de las caras de una lámina de
vidrio de caras plano–paralelas y espesor 5,0 cm, y de índice de refracción n = 1,52, con un ángulo de
incidencia de 30°. Calcule el ángulo con el que el rayo de luz emerge nuevamente al aire después de
atravesar la lámina.
Datos: naire = 1,0
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107.– Un rayo de luz monocromática incide oblicuamente desde un medio de índice de refracción
1,10 hacia otro medio de índice de refracción 2,13. Obtenga el ángulo de refracción sabiendo que el
rayo reflejado forma un ángulo de 60° con la superficie plana entre ambos medios.
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108.– Un rayo de luz monocromática incide oblicuamente desde un medio de índice de refracción
1,10 hacia otro medio. Calcule el índice de refracción del segundo medio sabiendo que el rayo
reflejado y el rayo refractado forman, respectivamente, un ángulo de 60° y 75° con la superficie plana
entre ambos medios.
109.– Responda, razonadamente, las siguientes cuestiones:
a) Determine el ángulo límite de incidencia a partir del cual se produce reflexión total entre un
medio en el que la luz viaja a 2·105 km s–1 y el aire.
b) ¿Se podrá producir la reflexión total en las dos direcciones, medio–aire y aire–medio?
Datos: naire = 1,0 ; Velocidad de la luz en el vacío: c = 3,00·108 m s–1
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110.– Responda, razonadamente, las siguientes cuestiones:
a) ¿Qué es el espectro atómico de un elemento químico? Justifique por qué dicho espectro está
formado por líneas discretas para elementos químicos en estado gaseoso.
b) Un láser de argón emite un haz de luz verde monocromática de longitud de onda en el vacío
λ0 = 514,5 nm. Determine la frecuencia de dicha radiación y la energía de cada fotón del haz de luz.
Datos: Constante de Planck: h = 6,63·10–34 J s ;
Velocidad de la luz en el vacío: c = 3,00·108 m s–1

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