11.E: Luz (Ejercicios)

Preguntas Conceptuales

12.4: El espectro electromagnético - Notas de aplicación

1. Si vives en una región que tiene una estación de TV en particular, a veces puedes recoger parte de su porción de audio en su receptor de radio FM. Explique cómo esto es posible. ¿Implica que el audio de TV se transmite como FM?

2. Explique por qué las personas a las que se les extirpa el cristalino del ojo debido a las cataratas son capaces de ver ultravioleta de baja frecuencia.

3. ¿Cómo los residuos de jabón fluorescente hacen que la ropa se vea “más brillante y más blanca” en la luz exterior? ¿Esto sería efectivo a la luz de las velas?

4. Dar un ejemplo de resonancia en la recepción de ondas electromagnéticas.

5. Ilustrar que el tamaño de los detalles de un objeto que se puede detectar con ondas electromagnéticas está relacionado con su longitud de onda, comparando detalles observables con dos tipos diferentes (por ejemplo, radar y luz visible o rayos infrarrojos y rayos X).

6. ¿Por qué los edificios no bloquean las ondas de radio tan completamente como lo hacen la luz visible?

7. Haz una lista de algunos objetos cotidianos y decide si son transparentes u opacos a cada uno de los tipos de ondas electromagnéticas.

8. Tu amigo dice que se pueden ver más patrones y colores en las alas de los pájaros si se ven con luz ultravioleta. ¿Estarías de acuerdo con tu amigo? Explica tu respuesta.

9. La velocidad a la que se puede transmitir la información en una onda electromagnética es proporcional a la frecuencia de la onda. ¿Esto es consistente con el hecho de que la transmisión telefónica láser a frecuencias visibles lleva muchas más conversaciones por fibra óptica que la transmisión electrónica convencional en un cable? ¿Cuál es la implicación para la comunicación por radio ELF con submarinos?

10. Dé un ejemplo de energía transportada por una onda electromagnética.

11. En una resonancia magnética, un campo magnético más alto requiere ondas de radio de mayor frecuencia para resonar con el tipo nuclear cuya densidad y ubicación se está obteniendo la imagen. ¿Qué efecto tiene ir a un campo magnético mayor en la antena más eficiente para transmitir esas ondas de radio? ¿Favorece una antena más pequeña o más grande?

12. La corrección de la visión con láser a menudo usa un láser excimer que produce radiación electromagnética de 193 nm. Esta longitud de onda es absorbida de manera extremadamente fuerte por la córnea y la extirpa de manera que remodele la córnea para corregir defectos de visión. Explique cómo la fuerte absorción ayuda a concentrar la energía en una capa delgada y así dar mayor precisión en la conformación de la córnea. Explique también cómo esta fuerte absorción limita el daño al cristalino y la retina del ojo.

12.5: Reflexión

13. Usando la ley de la reflexión, explica cómo el polvo quita el brillo de la nariz de una persona. ¿Cuál es el nombre del efecto óptico?

12.6: Refracción

14. En este capítulo se describe la difusión por reflexión desde una superficie rugosa. La luz también se puede difundir por refracción. Describir cómo ocurre esto en una situación específica, como la luz que interactúa con el hielo picado.

15. ¿Por qué el índice de refracción siempre es mayor o igual a 1?

16. ¿El hecho de que el destello de luz del rayo te llegue antes de su sonido prueba que la velocidad de la luz es extremadamente grande o simplemente que es mayor que la velocidad del sonido? Discuta cómo podría usar este efecto para obtener una estimación de la velocidad de la luz.

17. ¿La luz cambiará de dirección hacia o alejándose de la perpendicular cuando pasa del aire al agua? ¿Agua a vaso? ¿Vidrio al aire?

18. ¿Explicar por qué un objeto en el agua siempre parece estar a una profundidad menos profunda de lo que realmente es? ¿Por qué las personas a veces sufren lesiones en el cuello y la columna cuando se sumergen en estanques o aguas desconocidas?

19. Explica por qué las piernas de una persona aparecen muy cortas al vadear en una alberca. Justifica tu explicación con un diagrama de rayos que muestre la trayectoria de los rayos desde los pies hasta el ojo de un observador que está fuera del agua.

20. ¿Por qué se curva la superficie frontal de un termómetro como se muestra?

Figura\(\PageIndex{1}\): La superficie curva del termómetro sirve para un propósito.

21. Supongamos que la luz incidió del aire sobre un material que tenía un índice de refracción negativo, digamos —1.3; ¿a dónde va el rayo de luz refractado?

12.8: Formación de Imagen por Lentes

22. Se puede argumentar que una pieza plana de vidrio, como en una ventana, es como una lente con una distancia focal infinita. Si es así, ¿dónde forma una imagen? Es decir, ¿cómo están\(d_{\mathrm{i}}\) y\(d_{\mathrm{o}}\) relacionados?

23. A menudo se puede ver un reflejo al mirar una lámina de vidrio, particularmente si es más oscura en el otro lado. Explica por qué a menudo puedes ver una doble imagen en tales circunstancias.

24. Cuando enfocas una cámara, ajustas la distancia de la lente a la película. Si la lente de la cámara actúa como una lente delgada, ¿por qué no puede ser una distancia fija de la película tanto para objetos cercanos como distantes?

25. Una lente delgada tiene dos puntos focales, uno a cada lado, a distancias iguales de su centro, y debe comportarse igual para la luz que ingresa desde ambos lados. Mira a través de tus anteojos (o los de un amigo) hacia atrás y hacia adelante y comenta si son lentes delgados.

26. ¿Cambiará la distancia focal de una lente cuando esté sumergida en agua? Explique.

12.9: Formación de Imagen por Espejos

27. ¿Cuáles son las diferencias entre las imágenes reales y las virtuales? ¿Cómo se puede saber (mirando) si una imagen formada por una sola lente o espejo es real o virtual?

28. ¿Se puede ver una imagen virtual? ¿Se puede fotografiar uno? ¿Se puede proyectar uno en una pantalla con lentes o espejos adicionales? Explique sus respuestas.

29. ¿Es necesario proyectar una imagen real en una pantalla para que exista?

30. ¿A qué distancia se encuentra siempre una imagen\(d_{\mathrm{o}}\), en\(d_{\mathrm{i}}\), o\(f\)?

31. ¿Bajo qué circunstancias se ubicará una imagen en el punto focal de una lente o espejo?

32. ¿Qué se entiende por un aumento negativo? ¿Qué se entiende por una ampliación que es inferior a 1 en magnitud?

33. ¿Puede una imagen de caja 1 ser más grande que el objeto aunque su aumento sea siempre negativo? Explique.

34. La figura\(\PageIndex{2}\) muestra una bombilla entre dos espejos. Un espejo produce un haz de luz con rayos paralelos; el otro evita que la luz se escape sin ser puesta en el haz. ¿Dónde está el filamento de la luz en relación con el punto focal o radio de curvatura de cada espejo?

Figura\(\PageIndex{2}\): Los dos espejos atrapan la mayor parte de la luz de la bombilla y forman un haz direccional como en un faro.

35. Diseña una disposición de espejos que te permita ver la parte posterior de tu cabeza. ¿Cuál es el número mínimo de espejos necesarios para esta tarea?

36. Si deseas ver todo tu cuerpo en un espejo plano (de pies a cabeza), ¿qué tan alto debe ser el espejo? ¿Su tamaño depende de tu distancia del espejo? Proporcionar un boceto.

37. Se puede argumentar que un espejo plano tiene una distancia focal infinita. Si es así, ¿dónde forma una imagen? Es decir, ¿cómo están\(d_{\mathrm{i}}\) y\(d_{\mathrm{o}}\) relacionados?

38. ¿Por qué los espejos divergentes se utilizan a menudo para los retrovisores en los vehículos? ¿Cuál es la principal desventaja de usar un espejo de este tipo en comparación con uno plano?

12.10: Polarización

39. ¿Bajo qué circunstancias cambia la fase de la luz por la reflexión? ¿La fase está relacionada con la polarización?

40. ¿Se puede polarizar una onda de sonido en el aire? Explique.

41. No pasa luz a través de dos filtros polarizadores perfectos con ejes perpendiculares. Sin embargo, si se coloca un tercer filtro polarizador entre los dos originales, puede pasar algo de luz. ¿Por qué es esto? ¿Bajo qué circunstancias pasa la mayor parte de la luz?

42. Explique qué pasa con la energía transportada por la luz que se atenúa al pasarla a través de dos filtros polarizadores cruzados.

43. Cuando las partículas que dispersan la luz son mucho más pequeñas que su longitud de onda, la cantidad de dispersión es proporcional a\(1 / \lambda^{4}\). ¿Significa esto que hay más dispersión para pequeños\(\lambda\) que grandes\(\lambda\)? ¿Cómo se relaciona esto con el hecho de que el cielo es azul?

44. Utilizando la información dada en la pregunta anterior, explica por qué las puestas de sol son rojas.

Problemas y ejercicios

12.6: Refracción

45. ¿Cuál es la velocidad de la luz en el agua? ¿En glicerina?

Solución

\(2.25 \times 10^{8} \mathrm{~m} / \mathrm{s}\)en agua

\(2.04 \times 10^{8} \mathrm{~m} / \mathrm{s}\)en glicerina

46. ¿Cuál es la velocidad de la luz en el aire? ¿En copa de corona?

47. Calcular el índice de refracción para un medio en el que se encuentre la velocidad de la luz\(2.012 \times 10^{8} \mathrm{~m} / \mathrm{s}\), e identifique la sustancia más probable con base en el Cuadro 12.6.1.

Solución

\(1.490\), poliestireno

48. ¿En qué sustancia del Cuadro 12.6.1 se encuentra la velocidad de la luz\(2.290 \times 10^{8} \mathrm{~m} / \mathrm{s}\)?

49. Hubo una colisión importante de un asteroide con la Luna en la época medieval. Fue descrito por los monjes en la Catedral de Canterbury en Inglaterra como un resplandor rojo en y alrededor de la Luna. ¿Cuánto tiempo después de que el asteroide golpeara la Luna, que está\(3.84 \times 10^{5} \mathrm{~km}\) lejos, la luz llegaría primero a la Tierra?

Solución

\(1.28 \mathrm{~s}\)

50. Los componentes de algunas computadoras se comunican entre sí a través de fibras ópticas que tienen un índice de refracción\(n=1.55\). ¿Qué tiempo en nanosegundos se requiere para que una señal viaje 0.200 m a través de dicha fibra?

Solución

\(1.03 \mathrm{~ns}\)

51. En la superficie de la Luna, los astronautas lunares colocaron un reflector de esquina, fuera del cual se refleja periódicamente un rayo láser. La distancia a la Luna se calcula a partir del tiempo de ida y vuelta. ¿Qué porcentaje de corrección se necesita para dar cuenta del retraso en el tiempo debido a la desaceleración de la luz en la atmósfera terrestre? Supongamos que la distancia a la Luna es precisamente\(3.84 \times 10^{8} \mathrm{~m}\), y la atmósfera de la Tierra (que varía en densidad con la altitud) equivale a una capa de 30.0 km de espesor con un índice constante de refracción\(n=1.000293\).

12.7: Dispersión- El arco iris y prismas

52. a) ¿Cuál es la relación entre la velocidad de la luz roja y la luz violeta en el diamante, basada en la Tabla 12.7.1?

b) ¿Cuál es esta relación en poliestireno?

c) ¿Cuál es más dispersivo?