Laboratorio virtual de la ley de Malus: polarización

Este laboratorio virtual de la ley de Malus convierte la práctica de polarización de A-level y de los cursos de física de bachillerato en un conjunto de datos rápido y limpio. La luz de una lámpara atraviesa un polarizador y un analizador y llega a un luxómetro. Los estudiantes giran el analizador de 0° a 90°, anotan la lectura en cada ángulo y representan la intensidad frente a θ y frente a cos²θ. La recta que pasa por el origen confirma I = I₀cos²θ, y su pendiente da I₀. Después, un tercer filtro entre polarizadores cruzados vuelve a dejar pasar la luz, lo que da una buena pregunta de explicación. Todos los números de esta guía se leyeron en la simulación.

Relación con el currículo

• AQA A-level Physics 7408, sección 3.3.1.2: la polarización como prueba de la naturaleza transversal de las ondas, con aplicaciones como los filtros polarizadores.
• NSW HSC Physics (Australia), Module 7 (The Nature of Light): la investigación para verificar la ley de Malus, I = I_max cos²θ.
• AP Physics 2: la polarización de la luz como onda electromagnética transversal.

Simulic no está afiliado a AQA, a NESA ni al College Board, ni cuenta con su respaldo.

Antes del laboratorio (5 min)

Pregunta: "Con el polarizador y el analizador alineados, el medidor marca I₀. Giras el analizador a 60°. ¿Qué fracción de I₀ marcará el medidor?" Los estudiantes eligen ½, ¼, ⅓ o cero. En un enlace de clase es la pregunta 1; la simulación se desbloquea cuando responden.

Método en la simulación

1. En la pestaña Ley de Malus, deja Fuente en Luz (lámpara), Polarizador P en 0° y Luz de sala encendida sin marcar. Pulsa Borrar tabla si tiene filas.
2. Pon Analizador A en 0°, espera a que el medidor se estabilice y pulsa Registrar.
3. Repite a 15°, 30°, 45°, 60°, 75° y 90°.
4. Cambia Gráfica a I frente a cos²θ y lee la recta de mejor ajuste bajo la gráfica.
5. Marca Añadir filtro central, pon Eje de transmisión M en 45° y Analizador A en 90°, y registra una vez más.

θ (°)	0	15	30	45	60	75	90
cos²θ	1,000	0,933	0,750	0,500	0,250	0,067	0,000
I (lux)

Resultados esperados

El medidor añade una fluctuación de ±0,4 % aproximadamente, así que las lecturas varían un poco entre grupos.

• Un ensayo en el navegador: 500,1; 463,2; 373,4; 251,1; 125,6; 33,3 y 0,0 lux para θ = 0° a 90°. Otras cuatro lecturas a 60° dieron 124,6–125,0 lux.
• Gráfica: I frente a θ es una curva en forma de S; I frente a cos²θ es una recta que pasa por el origen. Tres ensayos dieron rectas de mejor ajuste con pendientes de 498,2; 499,8 y 499,3 lux y ordenadas en el origen a menos de 0,1 lux de cero.
• Por qué I₀ = 500 lux: la lámpara da 1000 lux, y el primer polarizador deja pasar la mitad de la luz no polarizada.
• Filtro central a 45° entre filtros cruzados: 125,3 lux, un cuarto de I₀.
• Luz de sala encendida a 90°: 7,9 lux de fondo en lugar de cero. Al incluir ese punto, la pendiente bajó a 496,1 lux.

Preguntas para los estudiantes

1. (Predicción, se repite después del laboratorio) A θ = 60°, ¿qué fracción de I₀ marca el medidor?
2. ¿Qué magnitudes deben mantenerse iguales mientras giras el analizador?
3. Con P = 0° y A = 60°, ¿qué marca el medidor?
4. ¿Cuál es la pendiente de tu gráfica de I frente a cos²θ?
5. Explica por qué un filtro central a 45° deja pasar luz a través de dos polarizadores cruzados.

Respuestas para el docente: (1) ¼, porque cos²60° = 0,25. (2) La lámpara, el ángulo del polarizador P y la luz de la sala (apagada). (3) Se acepta 122–128 lux. (4) Se acepta 495–505 lux; es igual a I₀. (5) Cada filtro deja pasar la componente del campo eléctrico paralela a su eje. La luz que sale de P tiene el campo a 0°; el filtro central deja pasar cos²45° = ½ de ella, ahora polarizada a 45°; el analizador a 90° forma 45° con esa dirección y deja pasar otra mitad. I = 500 × ½ × ½ = 125 lux.

Ideas erróneas frecuentes

• "La intensidad disminuye en proporción al ángulo." A 30° el medidor marca 373 lux, no dos tercios de 500. La intensidad depende de cos²θ.
• "Añadir un filtro solo puede bloquear más luz." El filtro central convierte 0 lux en 125 lux.
• "Cualquier onda se puede polarizar." Solo las ondas transversales: la pestaña Ondas por rendijas muestra que una onda longitudinal en un muelle atraviesa una rendija con cualquier orientación.

Ampliación

• Microondas: pon Fuente en Microondas y repite. El emisor ya está polarizado, así que I₀ vale 100 en la escala del medidor; una rejilla metálica hace el papel del filtro central.
• Reflejos: en Reflexión y gafas, pulsa Ir al ángulo de Brewster para el agua (unos 53°) y compara el reflejo con y sin Gafas de sol polarizadas.

Preguntas frecuentes

¿Puedo fijar los ángulos para mi clase?

Sí. En la página Compartir, fija Eje del polarizador (o emisor) P, Eje del analizador (o receptor) A y Luz de la sala encendida en los valores iniciales del enlace. El enlace de clase se abre en la pestaña Ley de Malus.

¿Por qué parpadea la lectura?

El modelo añade una pequeña fluctuación aleatoria, como un luxómetro real. Espera un momento antes de pulsar Registrar, o registra dos veces y calcula la media.

¿Por qué la lectura no es cero a 90° con la luz de la sala encendida?

La luz de la sala llega al medidor sin pasar por los filtros. Lee este fondo a θ = 90° y réstalo de todas las lecturas antes de representarlas.

Simulaciones y guías relacionadas

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