¿Como se forman los arcoiris?

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Explicacion de como se forman los arcoiris. Fisica Clasica. Optica

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¿Como se forman los arcoiris?

  1. 1. ¿Por qué se forman losArco Iris?La Física Clásica: Óptica .EVIDENCIA POR PRODUCTO 1ER PARCIALAlejandra Altamirano Ugarte10/10/2011
  2. 2. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. INDICE A ARCO IRIS SECUNDARIO...................................................................................................................................................................................... 8 B BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................................................................................................... 18 C Conclusiones ..................................................................................................................................................................................................... 17 E EXPERIMENTO DESCOMPOSICIÓN DE LA LUZ ...................................................................................................................................................................... 14 EXPLICACION DE DESCARTES .............................................................................................................................................................................. 6 I INTRODUCCION ¿QUE ES UN ARCO IRIS? ........................................................................................................................................................... 3 2 ISAAC NEWTON ................................................................................................................................................................................................. 10 J JUSTIFICACION HISTORIA DE LA CIENCIA ................................................................................................................................................................................ 3 M MARCO TEORICO EXPLICACION CIENTIFICA ............................................................................................................................................................................... 4 O OBJETIVO ESPECIFICO ......................................................................................................................................................................................... 3 OBJETIVO GENERAL............................................................................................................................................................................................. 3 P PROCEDIMIENTO:.............................................................................................................................................................................................. 15 T 10 de octubre de 2011 TRABAJOS SOBRE LA LUZ .................................................................................................................................................................................. 10 Alejandra Altamirano Ugarte
  3. 3. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. OBJETIVO GENERAL: Poder resolver las siguientes preguntas a respecto de este fenómeno físico: ¿Cómo se forman los Arco Iris? ¿Por qué tienen forma de un Arco? ¿Por qué tienen esos colores? OBJETIVO ESPECIFICO: Conocer como se forman los arcoíris por medio del estudio de la composición de la luz. ¿QUÉ ES UN ARCO IRIS? Un arco iris, iris o arcoíris es un fenómeno óptico y meteorológico que produce la aparición de un espectro de frecuencias de luz continuo en el cielo cuando los rayos del sol atraviesan pequeñas gotas de agua contenidas en la atmósfera terrestre. La forma es la suma de un 3 arco multicolor con el rojo hacia la parte exterior y el violeta hacia la interior. Menos frecuente es el arco iris doble, el cual incluye un segundo arco más tenue con los colores invertidos, es decir el rojo hacia el interior y el violeta hacia el exterior. Comúnmente se suele aceptar como siete los colores rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta producto de la descomposición de frecuencias de la luz, y es formado por los 3 colores primarios y los 3secundarios, aunque tradicionalmente se habla de 7 colores, incluyendo el añil entre el azul y el violeta. 10 de octubre de 2011 HISTORIA DE LA CIENCIA DEL ARCO IRIS Hace más de tres siglos, Isaac Newton logró demostrar con ayuda de un prisma que la luz blanca del Sol contiene colores partiendo del rojo, a su vez pasando por el naranja, violeta, por el negro, por el celeste y añil hasta llegar al violeta. Esta separación de la luz en los colores que la conforman recibe el nombre de descomposición de la luz blanca. Alejandra Altamirano Ugarte
  4. 4. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. El experimento de Newton no es difícil de reproducir, pues no es necesario contar con instrumental científico especial para llevarlo a cabo. Incluso hoy en día resulta ser uno de los más hermosos e instructivos para los incipientes estudiantes de óptica en educación básica, media y superior. se puede lograr con un prisma, el cual es atravesado por un rayo de luz blanca del sol, este se refracta y sale por el lado opuesto descompuesto en los 7 colores ya mencionados. EXPLICACIÓN CIENTÍFICA Cuando la luz solar incide sobre las gotas de lluvia, éstas se encargan de producir tal efecto, pero en algunas mucho más que en otras. Los rayos del Sol involucrados con la formación del arco iris salen de las gotas de lluvia con un ángulo de aproximadamente 138 grados respecto de la dirección que llevaban antes de entrar en OPTICA ellas. Este es el "ángulo del arco iris", descubierto por René La Óptica se enc arga de estudiar el comportamiento de Descartes en el año de 1637. Si la luz saliera a 180 grados, 4 entonces regresaría por donde vino. Como el ángulo de la luz. Es, también, una de las salida es de sólo 138 grados, la luz no se refleja ramas más antiguas: los fenómenos de reflexión y exactamente hacia su origen. Esto hace posible que el arco refracción se conocen desde la iris sea visible para nosotros, que no solemos encontrarnos antigüedad, y genios como exactamente entre el Sol y la lluvia. De manera que Newton dedicaron grandes siempre, si nos colocamos de frente a un arco iris, el Sol esfuerzos a su estudio. La estará detrás de nosotros. historia de la óptica cambió radicalmente con Maxwell, que 10 de octubre de 2011 relacionó la luz con las ondas electromagnéticas, dando lugar Para ser más precisos, es la luz amarilla la que es a la óptica física. dispersada a 138 grados de su trayectoria original. La luz de otros colores es dispersada en ángulos algo distintos. La luz roja del arco iris se dispersa en una dirección ligeramente menor que 138 grados, mientras que la luz violeta sale de las gotas de lluvia en un ángulo un poco mayor. Un rayo de luz solar, de los que "hacen" un arco iris, cambia su dirección tres veces mientras se mueve a Alejandra Altamirano Ugarte
  5. 5. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. través de una gota de lluvia: Primero entra en la gota, lo cual ocasiona que se refracte ligeramente. Entonces se mueve hacia el extremo opuesto de la gota, y se refleja en la cara interna de la misma. Finalmente, vuelve a refractarse cuando sale de la gota de lluvia en forma de luz dispersa. La descomposición en colores es posible porque el índice de refracción de la gota de agua es ligeramente distinto para cada longitud de onda, para cada color del arco iris. La luz solar emerge de muchas gotas de lluvia a un tiempo. El efecto combinado es un mosaico de pequeños destellos de luz dispersados por muchas gotas de lluvia, distribuido como un arco en el cielo. Los diversos tamaños y formas de las gotas afectan la intensidad de los colores del arco iris. Gotas pequeñas hacen un arco iris pálido y de colores con tonalidades pastel; gotas grandes producen colores muy vivos. Además, las gotas grandes son aplastadas por la resistencia del aire mientras caen. Esta distorsión ocasiona que el "final" del arco iris tenga colores más intensos. 5 10 de octubre de 2011 Alejandra Altamirano Ugarte
  6. 6. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. ARCO IRIS: EXPLICACIÓN DE DESCARTES Descartes simplificó el estudio del arco iris reduciendo el caso al estudio de la trayectoria de un rayo de luz dentro de una gota de agua esférica suspendida en la atmósfera. El arco iris puede aparecer no sólo en la atmósfera sino donde tengamos gotas de agua en suspensión y luz del sol detrás de nosotros iluminándolas. La explicación de Descartes se basó en la refracción y la reflexión de la luz dentro de la gota e hizo un gráfico de la trayectoria seguida por diversos rayos. Una buena aproximación es suponer que los rayos que salen radialmente del sol llegan paralelos a la gota por estar el sol a gran distancia. Lo publicó en el libro "El Discurso del Método" -año 1637- 6 10 de octubre de 2011 El rayo 1 entra en la gota a lo largo del diámetro y se refleja en la misma dirección que traía. El segundo, que entra por encima del 1, sale en la dirección marcada por dos (por debajo y próximo, formando un pequeño ángulo ) Seguimos estudiando el comportamiento de rayos que entran cada vez más separados del 1. Al llegar al rayo llamado "L" se alcanza una desviación con el rayo incidente de 42º, y el conjunto de los rayos entrantes entre el "L" y el "M" salen todos concentrados sobre la misma Alejandra Altamirano Ugarte
  7. 7. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. desviación de 42º (para rayos rojos). Descartes dijo que se concentraban entre 41º y 42º. Por encima del rayo "M" se desvían mucho y no concentran su energía en la zona del ojo del observador. Los rayos que producen la visión del arco iris están entre el "L" y "M" y se reflejan todos concentrados, teniendo una desviación con el que viene del sol de unos 42 º. Descartes demostró que para observar el arco iris debemos mirar las gotas con un ángulo de 42º respecto a la línea que une las gotas con el Sol y, tal como se ve en la siguiente figura, el radio ángular del arco iris es de 42º. Esto es lo que origina que lo veamos sobre un arco. 7 Observamos que aunque el ángulo que forma el rayo rojo es de 42 º y el azul de 40º vemos el color azul en el interior del arco y el rojo en el exterior. Esto es debido a que miramos en la dirección de los rayos, la línea de nuestra mirada debe mantener 42º con la di rección que va al centro del arco iris. 10 de octubre de 2011 Comprueba en la figura de más abajo como el rayo que viene del sol y el rayo del arco iris forma el mismo ángulo que el rayo del arco iris y el que va del observador al centro del arco.(Ángulos alternos internos) Alejandra Altamirano Ugarte
  8. 8. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. ARCO IRIS SECUNDARIO Si la luz que incide sobre la gota de agua realiza dos refracciones y tres reflexiones internas podemos deducir su trayectoria aplicando la misma teoría que en el estudio anterior. 8 10 de octubre de 2011 El resultado es la formación de un arco iris secundario de colores invertidos, más débil y que queda por encima del primario. Su debilitamiento se debe a la luz que se refracta y sale al exterior en cada reflexión interna. Los ángulos que forman los rayos incidente y refractado hacia el ojo son mayores en el rayo secundario: 50 º para la luz roja y 54º para la violeta. Alejandra Altamirano Ugarte
  9. 9. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. El orden de los colores en el arco secundario está invertido debido a la doble reflexión interna. Teóricamente puede haber más de tres reflexiones internas, cuatro, cinco, que darían lugar a cuatro y cinco arco iris. El tercero y cuarto estarían entre el observador y el sol y quizás nunca se puedan ver. El quinto se produce en la misma zona del primero y del segundo y no se ve porque es muy ténue. La zona situada entre los dos arco iris es menos luminosa que el resto del cielo. Muchas de las características del arco iris fueron explicadas por Aristóteles, Descartes, Newton y Young. Newton en su libro Optica -año 1704- explicó el arco iris primario y secundario y publicó un Nació: 4 de enero de 1643 dibujo semejante al que ves en esta página un poco más Woolsthorpe, Lincolnshire, arriba. Inglaterra 9 ISAAC NEWTON Falleció: 31 de marzo de 1727 (84 años) Kensington, Londres, Sir Isaac Newton (25 de diciembre de 1642 JU – 20 de Inglaterra marzo de 1727 JU; 4 de enero de 1643 GR – 31 de marzo de1727 GR) fue un físico, filósofo, teólogo, Campo de Estudio: Astronomía, inventor, alquimista y matemático inglés, autor de los Física, Teología, Alquimia y Philosophiae naturalis principia mathematica, más Matemática conocidos como los Principia, donde describió la ley de gravitación universal y estableció las bases de la Alma Mater: Universidad de mecánica clásica mediante las leyes que llevan su Cambridge nombre. Entre sus otros descubrimientos científicos destacan los Principales aportaciones: Leyes 10 de octubre de 2011 trabajos sobre la naturaleza de la luz y la óptica (que de la cinemática, Teoría se presentanprincipalmente en su obra Ópticos) y el corpuscular de la luz, desarrollo del cálculo matemático. Desarrollo del Cálculo diferencial e integral, Ley Entre sus hallazgos científicos se encuentran el de la gravitación universal. descubrimiento de que el espectro de color que se observa cuando la luz blanca pasa por un prisma es inherente a esa luz, en lugar de provenir del prisma Alejandra Altamirano Ugarte
  10. 10. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. (como había sido postulado por Roger Bacón en el siglo XIII); su argumentación sobre la posibilidad de que la luz estuviera compuesta por partículas; su desarrollo de una ley de convección térmica, que describe la tasa de enfriamiento de los objetos expuestos al aire; sus estudios sobre la velocidad del sonido en el aire; y su propuesta de una teoría sobre el origen delas estrellas. Fue también un pionero de la mecánica de fluidos, estableciendo una ley sobre la viscosidad. TRABAJOS SOBRE LA LUZ Entre 1670 y 1672 trabajó intensamente en problemas relacionados con la óptica y la naturaleza de la luz. Newton demostró que la luz blanca estaba formada por una banda de colores (rojo, naranja, amarillo, verde, cian, azul y violeta) que podían separarse por medio de un prisma. Como consecuencia de estos trabajos concluyó que cualquier telescopio refractor sufriría de un tipo de aberración conocida en la actualidad como aberración cromática que consiste en la dispersión de la luz en diferentes colores al atravesar una lente. Para evitar este problema inventó un telescopio reflector (conocido como telescopio 10 newtoniano). Sus experimentos sobre la naturaleza de la luz le llevaron a formular su teoría general sobre la misma que, según él, está formada por corpúsculos y se propaga en línea recta y no por medio de ondas. El libro en que expuso 10 de octubre de 2011 esta teoría fue severamente criticado por la mayor parte de sus contemporáneos, entre Opticks ellos Hooke (1638-1703) y Huygens, quienes sostenían ideas diferentes defendiendo una naturaleza ondulatoria. Estas críticas provocaron su recelo por las publicaciones, por lo que se retiró a la soledad de su estudio en Cambridge. Alejandra Altamirano Ugarte
  11. 11. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. En 1704 Newton escribió su obra más importante sobre óptica, Opticks, en la que exponía sus teorías anteriores y la naturaleza corpuscular de la luz, así como un estudio detallado sobre fenómenos como la refracción, la reflexión y la dispersión de la luz. Aunque sus ideas acerca de la naturaleza corpuscular de la luz pronto fueron desacreditadas en favor de la teoría ondulatoria, los científicos actuales han llegado a la conclusión (gracias a los trabajos de Max Planck y Albert Einstein) de que la luz tiene una naturaleza dual: es onda y corpúsculo al mismo tiempo. Esta es la base en la cual se apoya toda la mecánica cuántica. Newton realizó el conocido experimento de doble refracción mediante prismas de vidrio transparente con caras no paralelas. En una primera etapa, el experimento se realiza con tan solo un prisma. Un haz de luz blanca que entra a un cuarto oscuro traviesa un trozo de cristal con caras planas no paralelas y sufre una doble refracción al entrar y salir del mismo. La luz se recoge con una pantalla. El resultado que se obtiene es un haz que contiene todos los colores naturales separados: el rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta. Ésto se puede ver en la figura 1. 11 Figura 1: Refracción y descomposición de la luz en un prisma de caras no paralelas. Newton no creía en las afirmaciones de sus coetáneos sobre este fenómeno, que 10 de octubre de 2011 interpretaban que el color se formaba en el prisma, sino que supuso que la luz blanca era una mezcla de haces de los siete colores puros. Cada uno de estos haces posee un grado propio y diferente de refracción en el vidrio. Esta hipótesis también explica la formación del propio arco iris, ya que la luz que se refracta en las gotas de lluvia puede separarse de una forma parecida a la que hemos observado en la figura 1. Para intentar demostrar esta hipótesis, Newton realizó dos experimentos más. Alejandra Altamirano Ugarte
  12. 12. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. El primer experimento consiste en añadir un segundo prisma, invertido respecto al primero, de forma que el haz de luz se vuelve a reunir para formar de nuevo un haz blanco, tal y como vemos en la figura 2. Figura 2: La luz descompuesta en el primer prisma se vuelve a reunir para formar un nuevo haz blanco. El segundo experimento es el disco de Newton, una ruleta que esta dividida en siete 12 sectores, cada cual pintado con uno de los colores del arco iris. Al hacerlo girar a gran velocidad, la apariencia del disco es blanca. Posteriormente, Newton quiso encontrar la explicación a la aparición de colores en los diferentes objetos cuando son iluminados por luz blanca. Cada substancia, argumentaba, posee una capacidad selectiva de absorción de cada color diferente. La parte no absorbida de la luz blanca es la única que llega a nuestros ojos, que la interpretan como si fuera una única luz con el color resultante de la combinación de las diferentes contribuciones de cada color natural. 10 de octubre de 2011 Newton intentó demostrar esta explicación mediante un dispositivo experimental del tipo de la figura 2. Mediante una pantalla opaca con una ranura apropiada, se bloquean seis de los siete colores en los cuales se ha separado la luz al pasar por el primer prisma, dejando pasar tan solo uno de ellos. La luz restante pasa por el segundo prisma sin modificarse en absoluto, ya que en este caso tan sólo resta una de las componentes: el haz es homogéneo. Los objetos iluminados con esta luz serán negros si absorben este color en particular, o de ese mismo Alejandra Altamirano Ugarte
  13. 13. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. color en caso contrario. De esta forma, Newton demostró que el color de cada objeto depende de la iluminación y de la capacidad de absorción de cada color. EXPERIMENTO: DESCOMPOSICIÓN DE LA LUZ Para realizar este sencillo experimento necesitamos: 1. Un Recipiente con agua 13 10 de octubre de 2011 Alejandra Altamirano Ugarte
  14. 14. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. 2. Un espejo 3. Una hoja Blanca 14 10 de octubre de 2011 PROCEDIMIENTO: A. Colocamos el recipiente con agua en un lugar donde reciba luz directa del Sol B. Colocamos el espejo dentro del recipiente con agua C. Inclinamos el espejo en un ángulo aproximado a 42º Alejandra Altamirano Ugarte
  15. 15. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. D. Colocamos la hoja blanca frente el espejo (en dirección opuesta al Sol) 15 10 de octubre de 2011 Alejandra Altamirano Ugarte
  16. 16. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. 16 Conclusiones Isaac Newton, analizó por primera vez los detalles técnicos de la formación del arco iris. Su brillante trabajo de óptica referente a la refracción y reflexión. Un arco iris ocurre cuando las gotas de lluvia y los rayos del sol se atraviesan. La luz del sol está compuesta de todos los colores, los cuales mezclados producen iluminación. Cuando la 10 de octubre de 2011 luz del sol penetra las gotas de agua, se refleja en las superficies interiores. Mientras pasa a través de las gotas, la luz se separa en sus colores que la componen, lo que produce un efecto muy similar al de un prisma. Y por un instante, cada gota de lluvia destella sus colores al observador, antes que otra gota de lluvia tome su lugar. Un arco iris se puede observar en la dirección opuesta del sol. La luz del arco iris es reflejada al ojo, a un ángulo de 42 grados en relación con el rayo de sol. La forma de arco, es parte del cono de luz que es cortado por el horizonte. Si uno viaja hacia el extremo de un arco iris, éste Alejandra Altamirano Ugarte
  17. 17. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. se moverá adelante de nosotros, manteniendo su forma. Por lo tanto, no hay realmente un final en un arco iris, ni tampoco una hoya llena de oro esperándole allí. Debido a que el ángulo de inclinación de 45 grados es medido desde el ojo de cada observador, no hay dos personas que vean exactamente el mismo arco iris. Cada persona se encuentra en el centro de su propio cono de luz. Desde el punto panorámico del alto de una montaña o de un avión, se puede observar en ciertas ocasiones, un circulo completo del arco iris. El brillante arco iris primario tiene el color rojo en el borde exterior y azul dentro de sí mismo. En la parte superior de la atmósfera, siempre hay otro arco iris menos brillante, con los colores en orden inverso. Este arco iris secundario, es el resultado de reflexión adicional, de los rayos del sol a través de las gotas de lluvia. Es más visible cuando hay nubes oscuras atrás de éste. Busca el segundo arco en lo alto de la atmósfera la próxima vez que aparezcan los colores del arco iris. Algunos observadores han reportado haber visto un tercer y cuarto arco iris sobre los primeros dos. Por medio de la experimentación pudimos comprobar lo que Descartes y Newton indicaron en sus estudios de la Reflexión y Refracción de la luz, hemos podido resolver las preguntas 17 ¿Cómo se forman los Arco Iris? ¿Por qué tienen forma de un Arco? ¿Por qué tienen esos colores? 10 de octubre de 2011 Alejandra Altamirano Ugarte
  18. 18. ¿Por qué se forman los Arco Iris?10 de oct. BIBLIOGRAFÍA  http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/color/arcoIris/ArcoIris_De scartes.htm  Arco iris Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=47179332  http://www.christiananswers.net/spanish/q-eden/ednks006s.html  http://www.lawebdefisica.com/trabajos/bionewton/  EXPERIMENTOS SIMPLES PARA ENTENDER UNA TIERRA COMPLICADA Centro de Geociencias de la Universidad Nacional Autónoma de México para el Año Internacional del Planeta Tierra http://yearofplanetearth.org/content/downloads/mexico/libro_luz_color_web.pdf  Física I, Resnick, Holliday, Krane 5a. Ed. CECSA  Física I, Wilson 2da. Ed. Prentice Hall 18 10 de octubre de 2011 Alejandra Altamirano Ugarte

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