jueves, 18 de junio de 2015

MIDIENDO LA VELOCIDAD DE LA LUZ

Este es un experimento clásico pero no tan fácil como aparece en internet o en algún libro...

La dualidad Onda-Corpúsculo de la Luz nos permite tratar a esta magnitud física como una onda o como un corpúsculo en determinadas situaciones de estudio. En nuestro caso, vamos a emplear su naturaleza ondulatoria para intentar calcular la velocidad de la luz, los famosos 299792,458 km/s en el vacío. La velocidad de la luz viene determinada por dos factores: Frecuencia y Longitud de Onda. La Longitud de Onda es la distancia existe entre dos puntos de la onda que poseen igual amplitud. Por otro lado, la Frecuencia es un número longitudes de onda que pasan por un punto en la unidad de tiempo. La relación entre las tres magnitudes viene dado por:

c = ν . λ
ν = Frecuencia de la onda (Hz)
λ = Longitud de onda (m)

Si somos capaces de conocer la longitud de onda y la frecuencia de la luz, seremos capaces de determinar su velocidad.

La base de esta experiencia son la Radiación de MicroondasSe denomina Microondas a las ondas electromagnéticas con una frecuencia entre 300 MHz y 300 GHz  y una longitud de onda entre 1 m a 1 mm.




Para realizar el cálculo emplearemos un aparato de microondas. Este dispositivo, que se encuentra en casi todas las casas, emite ondas microondas de frecuencia conocida (2450 MHz). En la busqueda de la velocidad de la luz solamente nos falta medir su longitud de onda. Aquí es donde entra en juego el queso en polvo. Este alimento nos ayudará  a dejar constancia de la longitud de onda de las microondas. Veamos como hay que proceder:

1. Quitamos el elemento giratorio del microondas para que éstas no se repartan de forma uniforme y se concentren en un único punto.

2. Colocamos a lo largo del plato una línea de queso en polvo lo más regular posible.

Preparando la tira de queso en polvo
Otra tira de queso en polvo
Tira de queso en polvo preparada
3. Colocamos el plato dentro del microondas de forma que la tira de queso en polvo quede paralela a la puerta.

4. Colocamos la potencia del microondas a 600 w aproximadamente durante unos 30-45 segundos. Abrimos el microondas y extraemos nuestro plato.

Resultado obtenido
5. Las zonas quemadas en el queso en polvo nos determinan la zona de de máxima longitud de onda de la radiación. Medimos cada mancha y determinamos su punto central. A continuación, medimos la distancia entre los dos puntos centrales y determinamos su longitud de onda.

Midiendo 

Midiendo
En esta experiencia hemos trabajo los grupos de 3º ESO del IES Sulayr. Los resultados obtenidos son:

3º ESO A trabajando

MICROONDAS 1
ν (Hz)
λ (Km)
Velocidad de la luz (km/s)
2,45.109
1,4.10-4
343000
2,45.109
1,35.10-4
330750
2,45.109
1,65.10-4
404250 (descartado)
2,45.109
1,45.10-4
355250

c = 299792,458 km/s
c (experimental) = 343000 km/s

MICROONDAS 2
ν (Hz)
λ (Km)
Velocidad de la luz (km/s)
2,45.109
1,63.10-4
399350
2,45.109
1,59.10-4
389550
2,45.109
1,6.10-4
392000
2,45.109
14,2.10-4
347900 (descartado)

c = 299792,458 km/s
c (experimental) = 393633,1 km/s


MICROONDAS 3

ν (Hz)
λ (Km)
Velocidad de la luz (km/s)
2,45.109
0,88.10-4
215600 (descartado)
2,45.109
1,4.10-4
343000
2,45.109
1,4.10-4
343000
2,45.109
0,9.10-4
220500 (descartado)

c = 299792,458 km/s
c (experimental) = 343000 km/s

3º ESO B trabajando (y comiendo queso...)
MICROONDAS 1
ν (Hz)
λ (Km)
Velocidad de la luz (km/s)
2,45.109
1,45.10-4
355250
2,45.109
1,45.10-4
355250
2,45.109
1,5.10-4
367500
2,45.109
1,5.10-4
367500

c = 299792,458 km/s 
c (experimental) = 361375 km/s


MICROONDAS 2

ν (Hz)
λ (Km)
Velocidad de la luz (km/s)
2,45.109
2.10-4
490000 (descartado)
2,45.109
1,1.10-4
269500
2,45.109
1,1.10-4
269500
2,45.109
1,1.10-4
269500

c = 299792,458 km/s 
c (experimental) = 269500 km/s


MICROONDAS 3

ν (Hz)
λ (Km)
Velocidad de la luz (km/s)
2,45.109
1,3.10-4
318500
2,45.109
1,45.10-4
355250 (descartado)
2,45.109
1,25.10-4
306250
2,45.109
1,3.10-4
318500

c = 299792,458 km/s 
c (experimental) = 314416,6 km/s

De los seis grupos de trabajos, podemos destacar dos de los datos obtenidos por el grupo 3º ESO B:

Microondas 2: c = 269500 km/s (error del 10%)
Microondas 3: c = 314416,6 km/s (error del 5%)

A la hora de analizar los resultados, tenemos que tener en cuenta las siguientes ideas:

A. Los tres microondas empleados tienen más de 10 años, ¿podemos estar seguros que la frecuencia de emisión sigue siendo exactamente de 2450 MHz?

B. El método para medir la longitud de onda de la radiación, una regla graduada, es poco preciso:

B.1. Las manchas en el queso  quemado no tienen los extremos marcados de forma precisa, ¿cómo determinar exactamente dónde empiezan y donde acaban?
B.2. Cada milímitero implica una modificación en la velocidad de 2500 km/s aproximadamente. Pequeñas modificaciones en la medición (2 - 3 mm) producen grandes desviaciones en el valor de la velocidad (5000 - 7500 km/s).

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