Neil C. Bruce
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LABORATORIO DE ÓPTICA

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CLAVE: MODALIDAD: Laboratorio

QUINTO SEMESTRE CARÁCTER: Obligatorio

CRÉDITOS: 6 REQUISITOS: Los de óptica

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HORAS POR CLASE PRÁCTICAS: 3

HORAS POR SEMANA PRÁCTICAS: 6

HORAS POR SEMESTRE PRÁCTICAS: 96

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Objetivos

• Desarrollo de la capacidad de investigación del estudiante, en óptica.
• Aprendizaje de los conceptos fundamentales del curso teórico correspondiente, mediante experimentos de óptica geométrica, polarización, interferencia, difracción, láseres y optoelectrónica.
• Conocimiento de los principios físicos del funcionamiento y manejo del equipo con que cuenta el Laboratorio de Optica.
• Manejo de datos experimentales (errores, aproximaciones, gráficas, ajuste de curvas, etc.).

Metodología de la enseñanza

El estudiante resolverá problemas experimentales de óptica, que serán escogidos por él con la asesoría del profesor del curso de laboratorio. Para realizar el paso anterior el estudiante habrá aprendido con anterioridad el manejo del equipo existente en el laboratorio, relacionado con el experimento, y dominará los conceptos básicos requeridos. El estudiante será asesorado por el profesor en los conceptos y métodos necesarios para el manejo de los datos experimentales.

ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE DATOS EXPERIMENTALES

El profesor invertirá 9 horas en el tema de este capítulo, con el objeto de que el alumno redondeé su preparación y reafirme su habilidad en el manejo de datos en el laboratorio, que ha estudiado en los laboratorios anteriores.

1. INTRODUCCIÓN AL TRABAJO DEL LABORATORIO 1.5 hrs

• Tipos de experimentos.
• Planeación del experimento.
• Evaluación y reporte de un experimento.
• Constantes físicas fundamentales.

2. EVALUACIÓN Y PRESENTACIÓN DE LOS ERRORES EXPERIMENTALES 1.5 hrs

• Errores estadísticos.
• Errores sistemáticos.
• Estimación del error en cantidades compuestas.

3. ALGUNOS CONCEPTOS DE ESTADÍSTICA 3 hrs

• Frecuencia de distribución.
• Media, curva de frecuencia, medidas de dispersión, desviación media, variancia, desviación estándar, error probable. Teorema del límite central
• Distribuciones de frecuencia: binomial, de Poisson, normal. Relación entre las distribuciones normal y binomial.
• Ajuste a una curva normal.
• Otras frecuencias de distribución.
• El método de mínimos cuadrados.
• Ajuste de curvas. Regresión lineal. Exactitud de los coeficientes. Precisión global del experimento.

4. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) 3 hrs

• Las tres clases de unidades del SI y prefijos del SI.
• Unidades fuera del SI.
• Reglas de escritura y estilo en el uso de unidades del SI.
• Reglas y convenciones de estilo para expresar los valores de cantidades.
• Otras cantidades y sus unidades.
• Definición de las unidades básicas del SI, del radián y del steradián.
• Factores de conversión entre varios sistemas de unidades.

La selección de los problemas a resolver tomará en cuenta la capacidad de realización de experimentos del laboratorio (ver Temario, abajo).

Evaluación del curso

Mediante los reportes escritos de los experimentos realizados, en los que se calificará también su originalidad.

Temario

El Temario siguiente se refiere a las prácticas experimentales que se pueden realizar y al equipo de medición que se puede diseñar y construir en el Laboratorio de Optica de la Facultad de Ciencias. Esta lista es tentativa, en la medida en que nuevo equipo se incorpora contínuamente al laboratorio.

ÓPTICA GEOMÉTRICA

• Medición del índice de refracción por el método de profundidad aparente.
• Medición del índice de refracción por el método de Pfund.
• Dispersión de luz por un prisma y espectrometría.
• Formación de imágenes por lentes delgadas: lupa, microscopio y telescopio.
• Estudio cuantitativo de la aberración esférica en lentes delgadas.
• La prueba de la navaja en espejos parabólicos y el efecto Schlieren.
• Caracterización paramétrica de lentes con índice de refracción gradual.

POLARIZACIÓN

• Las ecuaciones de Fresnel para la polarización de la luz.
• Efectos de diferentes materiales sobre la polarización de la luz (retardadores de fase de media onda y de un cuarto de onda, actividad óptica, etc.).
• Ley de Malus con dos y tres polarizadores.
• Medición del Angulo de Brewster.
• Parámetros de Stokes en luz parcialmente polarizada.

INTERFERENCIA

• El experimento de interferencia de Young.
• El doble prisma de Fresnel.
• El espejo doble de Fresnel.
• El interferómetro de Michelson. Franjas de interferencia de Haidinger y franjas hiperboloides.
• Interferometría de haces múltiples. El interferómetro de Fabry-Perot.

DIFRACCIÓN

• Difracción de Fraunhofer por: a) una abertura circular, b) rendijas múltiples.
• Espectrometría por rejilla de difracción.
• Difracción de rayo láser. Patrones moteados en superficies rugosas.
• Espectroscopía de Fourier. Interferometría de dos haces aplicada al análisis espectral.
• Filtraje espacial.
• Holografía.

Equipo

El estudiante manejará y entenderá el funcionamiento de los siguientes dispositivos, existentes en el Laboratorio de Optica: microscopio viajero, espectroscopio, lentes, aberturas y diafragmas, lámpara colimadora, fotómetros, diversas fuentes luminosas (lámparas incandescentes de luz blanca, lámparas de arco puntual, lámparas espectrales (líneas atómicas por descarga en gases), fuentes de luz láser (láseres de gas He-Ne, láseres de diodo), prismas y planos ópticos, lámina Polaroid, prisma de Nicol, láminas de media y un cuarto de onda, rotores de precisión, rendija doble de Young, espejo doble y prisma doble de Fresnel, interferómetros de Michelson y de Fabry-Perot, microscopios, láseres.

Bibliografía básica

• Palmer, H., 1987, Experiments in optics, Hopkins University Press, USA.
• Baird, D.C., 1995, Experimentation: an introduction to measurement theory and experiment design, Prentice-Hall, USA.
• Topping, J., 1972, Errors of observation and their treatment, Chapman and Hall, London, GB.
• Jenkins, F.A., White, H.E., 1976, Fundamentals of optics, 4 th edition, McGraw-Hill Book Co., N.Y., USA.
• Hecht, E., Zajac, A., 1974, Optica, Addison-Wesley Iberoamericana, México.

Bibliografía complementaria

• Crawford, F.S. Jr., 1968, Waves, McGraw-Hill Book Co., N.Y., USA.
• Born, M., Wolf, E., 1993, Principles of optics, 6 th edition, Pergamon Press, Oxford, GB.
• Driscoll, W.G., Vaughan, W., 1978, Handbook of optics, McGraw-Hill Book Co., N.Y., USA.
• Smith, W.J., 1966, Modern optical engineering. The design of optical systems, McGraw-Hill Book Co., N.Y., USA.
• Záidel, A.N., Ostrovskaya, G.V., Ostrovski, Y.I., 1979, Técnica y práctica de espectroscopía, Editorial MIR, Moscú.

Bibliografía actualizada sobre análisis e interpretación de datos experimentales

(Recopilación del doctor Javier Miranda, del Instituto de Física de la UNAM)

• Preston, D.W., Dietz, E.R., 1991, Art of experimental physics, ed. John Wiley & Sons, USA.
• Dunlap, R.A., 1988, Experimental physics, Oxford University Press, GB.
• Staudenmaier, H.M., 1995, Physics experiments using PCs: A guide for instructors and students, ed. Springer Verlag, Alemania.
• Lyons, L., 1992, A practical guide to data analysis for physical science students, ed. Cambridge University Press, GB.
• Cooke, C., 1996, An introduction to experimental physics, ed. Taylor & Francis, USA.
• Baird, D.C., 1995, An introduction to measurement theory and experiment design, 3a edición, ed. Prentice Hall, USA.
• Bevington, P.R., Robinson, D.K., 1992, Data reduction and error analysis for the physical sciences (book and disc), 2a edición, ed. McGraw Hill, USA.
• Taylor, J.R., 1997, An introduction to error analysis: The study of uncertainties in physical measurements, 2a edición, ed. University Science Books, USA.
• Campbell, P.D.Q., 1995, An introduction to measurement and calibration ed. Industrial Pr., USA.
• Bentley, J.P., 1995, Principles of measurement systems, 3a edición, ed. Longman Publishing Group, GB.
• Publicaciones de la Organisation Internationale de Métrologie Légale: (1) V2, 1993, International vocabulary of basic and general terms in metrology (bilingüe francés-inglés).(2) P15, 1989, Guide to calibration. (3) P17, 1995, Guide to the expression of uncertainty in measurement.