Experimento: naturaleza ondulatoria de la luz

Autor: S. Gil y E. Rodríguez.
Fuente: Física re-creativa.

Para cursos “un poquito” avanzados. El objetivo de este experimento es estudiar las propiedades y características básicas de la luz polarizada y a partir de estas observaciones conectar los fenómenos ópticos con los electromagnéticos. De este modo se espera dar soporte experimental acerca de la naturaleza electromagnética de la luz. También se introducen dispositivos que permiten medir la intensidad luminosa (fotómetros), sus características y la calibración de los mismos. También se examinan las características básicas de las leyes de Fresnel y la ley de Malus.
En una onda transversal la propiedad que vibra u oscila es una magnitud de carácter vectorial y lo hace en una dirección perpendicular a la dirección de propagación. Decimos que una onda transversal está polarizada si la propiedad que vibra lo hace de un modo predecible, es decir, siempre paralelamente a una dirección fija (polarización lineal) o con el vector que describe la vibración rotando a una frecuencia dada alrededor de la dirección de propagación (polarización circular). Desde luego el concepto de polarización carece de sentido para una onda escalar como lo es, por ejemplo, una onda de presión. Un ejemplo de onda mecánica transversal es el caso de una onda viajando por una cuerda; aquí el desplazamiento o elongación es perpendicular a dirección de propagación de la onda. La vibración puede ocurrir en cualquier dirección perpendicular a su propagación. Si se intercala una rejilla en algún punto de la cuerda, es claro que solo las oscilaciones en la dirección de las rejas podrán pasar. Este dispositivo (rejilla) que solo deja pasar las vibraciones en un solo estado de polarización se llama un polarizador. En esta práctica de laboratorio, se estudiarán las propiedades análogas a las descriptas más arriba para el caso de la luz.
El dispositivo experimental se muestra esquemáticamente en la figura. La fuente de luz es una lámpara incandescente y se colocan dos polarizadores y un fotómetro. El primer polarizador (más cercano a la fuente) se denomina simplemente polarizador y el más alejado es el analizador. Uno de los dos debe tener un goniómetro para medir su posición angular.
Previo a los experimentos, de ser posible es conveniente calibrar en intensidad el fotómetro. Este procedimiento es importante si se está empleando un fotómetro no calibrado previamente. Para ello se propone usar alguno de los siguientes métodos:
Variación de la intensidad de la luz con la distancia: En este caso se propone usar una fuente de luz lo más parecido que sea posible a una fuente puntual, sin lentes ni reflectores. La idea es medir la variación de señal proporcionada por el fotómetro con la distancia fuente–fotómetro. Suponiendo que la intensidad luminosa de la fuente varía siguiendo la ley 1/r2, es posible realizar una calibración relativa del fotómetro.
Usando filtros de luz de transmisión conocidas: este método consiste en colocar entre la fuente y el fotómetro filtros de luz de transmisión conocidas. Para ello se pueden adquirir filtros comerciales o bien construirlos uno mismo. Esto último es posible de realizar muy precisamente usando programas de dibujo como Autocad o CorelDraw. Para ello se dibujan líneas negras de espesor conocidos a distancias conocidas. De la geometría de las mismas es posible calcular la fracción de zona oscuras y por lo tanto su transmisión.
Con las figuras se realiza una transparencia (de proyección).
Conociendo la transmisión de una pantalla totalmente oscura y la geometría de cada pantalla es posible calcular la cantidad de iluminación bloqueada por cada una de estas máscaras.
El fotómetro consiste en un fototransistor comercial, sensible a la luz visible. La calibración consiste en obtener una curva de la señal de salida del fotómetro, Vout, en función de la intensidad luminosa, I.
¿Qué tipo de relación se encuentra entre Vout e I?
Hay que asegurarse de que el rango de iluminación estudiado comprenda el rango a ser usado usando ambos polarímetros. ¿Cómo logra esto?:
Una vez calibrado el fotómetro se propone estudiar cómo varía la intensidad luminosa trasmitida en función del ángulo entre los dos polarizadores. Para ello, manteniendo constante la distancia fuente– detector, hay que rotar el polarizador (o analizador si prefiere) hasta que la intensidad trasmitida sea máxima, y luego tomar a este ángulo como origen para medir el ángulo entre ellos (Q = 0º).
De ser posible, variar Q entre 0º y 360º en pasos de aproximadamente 5º.
Graficar la intensidad luminosa, I(Q), medida por el fotómetro en función de Q.
También graficar I(Q) versus cos(Q) y I(Q) versus cos2(Q).
¿Qué se puede concluir de estos gráficos?
Plantear hipótesis razonables que permitan dar cuenta de las observaciones, al menos en forma semicuantitativa.
Contiene cálculos y fórmulas demostrativas.

Para descargar este experimento hacer clic aquí: http://www.mediafire.com/?jza885nla9ij88s