Fisica 3 Optica v4g4z

5-S Construcción

FISICA ll

oINDICE:              

Optica Geometrica: Luz: Propiedades de la Luz. Propagacion Rectilinea de la Luz. Velocidad de la Luz. Metodo de Roemer. Metodo de Michelson. Ilumunacion: Flujo Radiante. Flujo Luminoso. Intensidad Luminosa. Reflexion de la Luz: Leyes de la Reflexion de la Luz. Espejos: Tipologia.

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Optica Geometrica: Luz: Propiedades de la Luz. Propagacion Rectilinea de la Luz. Velocidad de la Luz. Metodo de Roemer. Metodo de Michelson. Ilumunacion: Flujo Radiante. Flujo Luminoso. Intensidad Luminosa. Reflexion de la Luz: Leyes de la Reflexion de la Luz. Espejos: Tipologia.

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Casos en cuanto a los lentes y la vista.

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Optica Fisica:

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Interferencia.

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Anillos de Newton:

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Difraccion.

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Dispersion.

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Polarizacion de la Luz.

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La luz es una forma de energía. La luz es una radiación que emiten los átomos cuando se estimulan de diferentes formas, por calor, por radiació, etc. La luz es una onda electromagnética y a la vez es una corriente de fotones, por lo tanto tiene propiedades de onda y propiedades de pártícula.

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La luz es capaz de atravesar determinados cuerpos sin apenas iteración, por ejemplo, el aire, sin embargo en otros cuerpos produce reacciones químicas como en una película fotografíca, y en otros materiales produce reacciones eléctricas como en los fotosensores de una cámara donde hace que varie la emisión de electricidad de forma diferente según la longitud de onda de la luz incidente.

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Las propiedades fisicas de la luz, son las siguientes:

La luz calienta la materia en diferentes grados según el tipo de luz y el tipo de materia. Al chocar contra un cuerpo parte de la luz se refleja y parte es absorbida o disipada como calor. Tiene una alta velocidad de desplazamiento. La luz es una onda electromagnética que se propaga en el espacio sin necesidad de ningún medio material que la soporte. La luz percibida por nuestro sentido de la vista es una pequeña zona del espectro electromagnético, comprendida entre la franja de Infrarrojos y la de los Ultravioletas.

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El estudio de las imágenes, producidas por refracción o por reflexión de la luz se llama óptica geométrica. La óptica geométrica se ocupa de las trayectorias de los rayos luminosos, despreciando los efectos de la luz como movimiento ondulatorio, como las interferencias. Estos efectos se pueden despreciar cuando el tamaño la longitud de onda es muy pequeña en comparación de los objetos que la luz encuentra a su paso.

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Para estudiar la posición de una imagen con respecto a un objeto se utilizan las siguientes Eje óptico. Eje de abscisas definiciones: perpendicular al plano refractor. El 

sentido positivo se toma a la derecha al plano refractor, que es el sentido de avance de la luz. Espacio objeto. Espacio que queda a la izquierda del dioptrio. Espacio imagen. Espacio que queda a la derecha del dioptrio. Imagen real e imagen virtual. A pesar del carácter ficticio de una imagen se dice que una imagen es real si está formada por dos rayos refractados convergentes.

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La luz emitida por una fuente luminosa es capaz de llegar hasta otros objetos e iluminarlos. Este recorrido de la luz desde la fuente luminosa hasta los objetos, se denomina rayo luminoso. La luz se propaga siempre:

 En línea recta.

 En todas las direcciones.

 A gran velocidad, a 300.000 kilómetros por segundo.

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La luz se puede propagar en el vacío o en otros medios. La velocidad a la que se propaga depende del medio. En el vacío (o en el aire) es de 3·108 m/s; en cualquier otro medio su valor es menor. Esta velocidad viene dada por una magnitud llamada índice de refracción, n, que es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad en ese medio. No tiene unidades y su valor es siempre mayor que 1.

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Aunque la luz es incapaz de traspasar las opacas, puede atravesar las otras. Las sustancias transparentes tienen, además, la propiedad de que la luz sigue en su interior una sola dirección. Éste es el caso del agua, el vidrio o el aire. En cambio, en las traslucidas la luz se dispersa, lo que da lugar a que a través de ellas no se puedan ver las imágenes con nitidez.

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En el año 1672 el astrónomo danés Olaf Roëmer consiguió realizar la primera determinación de la velocidad de la luz, considerando para ello distancias interplanetarias. Al estudiar el periodo de revolución de un satélite (tiempo que emplea en describir una órbita completa) del planeta Júpiter, observó que variaba con la época del año entre dos valores extremos.

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Roëmer interpretó este hecho como consecuencia de que la Tierra, debido a su movimiento de traslación en torno al Sol, no se encontraba siempre a la misma distancia del satélite, sino que ésta variaba a lo largo del año. La velocidad con que la luz se propaga a través de un medio homogéneo y transparente es una constante característica de dicho medio, y por tanto, cambia de un medio a otro.

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Debido a su enorme magnitud la medida de la velocidad de la luz se ha requerido la invención de procedimientos ingeniosos que superarán el inconveniente que suponen las cortas distancias terrestres en relación con tan extraordinaria rapidez. Métodos astronómicos y métodos terrestres han ido dando resultados cada vez más próximos. En la actualidad se acepta para la velocidad de la luz en el vacío el valor c = 299,792,458 m/s.

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El metodo de Roemer para calcular la velocidad de la luz, se basa en proyecciones astronomicas y en las orbitas que siguen tanto La Tierra, como Jupiter y su Luna principal „‟Io‟‟. El Sol ilumina Júpiter, que proyecta su sombra en el espacio. „‟Io‟‟ es el satélite más cercano de Júpiter, y está situado prácticamente en el plano de su órbita alrededor del Sol.

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Durante medio año, el observador terrestre ve la aparición de Io oculto en la sombra de Júpiter, y durante el otro medio año la desaparición (eclipses) en dicha sombra. Supongamos que la Tierra está en la posición A, la más cercana a Júpiter (oposición), cuando Io aparece de la sombra de Júpiter. El mismo acontecimiento ocurrirá 42.5 horas más tarde, cuando Io haya completado una vuelta.

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Este método, se basa en un experimento diseniado por Michelson y Morley. En 1887 los físicos Michelson y Morley idearon un experimento para determinar en qué dirección y con qué velocidad se movía la Tierra. Suponiendo que la velocidad de la luz es una constante, se trataba de enviar rayos de luz en dos direcciones perpendiculares, una en el sentido de la marcha de la Tierra y la otra en el sentido perpendicular.

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Para ello se diseñó un dispositivo de espejos en el que los rayos del Sol (a) llegarían a un espejo semitransparente inclinado 45º (O). La mitad de los rayos solares (b) lo atravesarían hasta un espejo (T) y la otra mitad se reflejaría hacia otro espejo (L) situado perpendicular al anterior. Desde ambos espejos, los rayos (c) volverían al espejo O y, tras atravesarlo uno y reflejarse el otro, ambos (d) serían enviados a un interferómetro que permitiese calcular el desfase producido entre ambos rayos.

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Se sabía que la luz tiene una velocidad c y se suponía que esa velocidad era constante con respecto al universo. Como la Tierra se desplazaba también con respecto al universo a una velocidad v, para conocer la velocidad de la luz con respecto a la Tierra habría que restar ambas velocidades.

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Si se itía que no había ningún desfase entre el camino paralelo y el perpendicular del movimiento terrestre sólo se podía llegar a una conclusión matemáticamente cierta, que v tenía que valer 0, es decir, que la Tierra tenía que estar inmóvil en el espacio, lo cual era algo totalmente absurdo desde el mismo momento que se conocía la velocidad (30 Km/s) a la que la Tierra daba vueltas en torno al Sol.

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La mayoría de las fuentes de luz emiten energía electromagnética distribuida en múltiples longitudes de onda. Se suministra energía eléctrica a una lámpara, la cual emite radiación. Esta energía radiante emitida por la lámpara por unidad de tiempo se llama potencia radiante o flujo radiante.

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Sólo una pequeña porción de esta potencia radiante se encuentra en la región visible: en la región entre 400 y 700 nm. El sentido de la vista depende tan sólo de la energía radiada visible o luminosa por unidad de tiempo.

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El flujo luminoso F es la parte de la potencia radiante total emitida por una fuente de luz que es capaz de afectar el sentido de la vista. En una lámpara común de luz incandescente, sólo aproximadamente el l0 por ciento de la energía radiante es flujo luminoso. La mayor parte de la potencia radiante no es luminosa. El ojo humano no es igualmente sensible a todos los colores.

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Si la unidad elegida para el flujo luminoso debe corresponder a la respuesta sensitiva del ojo humano, es preciso definir una nueva unidad. El watt (W) no es suficiente debido a que las sensaciones visuales no son las mismas para colores diferentes. Lo que se necesita es una unidad que mida la brillantez. Dicha unidad es el lumen (lm), el cual se determina por comparación con una fuente patrón.

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La luz viaja radialmente hacia afuera en líneas rectas desde una fuente que es pequeña en comparación con sus alrededores. Para una fuente de luz de ese tipo, el flujo luminoso incluido en un ángulo sólido Ω permanece igual a cualquier distancia de la fuente. Por lo tanto, con frecuencia es más útil hablar del flujo por unidad de ángulo sólido que hablar simplemente del flujo total.

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La cantidad física que expresa esta relación se llama intensidad luminosa. La intensidad luminosa I de una fuente de luz es el flujo luminoso F emitido por unidad de ángulo sólido Ω. La unidad de intensidad es el lumen por estereorradián (lm/sr), llamada candela. La candela o bujía, como a veces se le llama, se originó cuando el patrón internacional quedó definido en términos de la cantidad de luz emitida por la llama de cierta bujía.

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La iluminancia o nivel de iluminación (E) se define como el flujo luminoso (F) que incide sobre una superficie (A). Su unidad de medida es el Lux. Proviene del concepto de „‟Luminancia‟‟ o brillo fotométrico, que es basicamente la luz procedente de los objetos (En este caso las fuentes de luz como: Lamparas incandescentes, LEDs, Bombillas, Lamparas Neon, El sol, etc).

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La reflexión (del latín reflexĭo) es una modificación que se produce en la dirección de una onda o de un rayo. Dicho cambio tiene lugar en el espacio que separa dos medios, lo que hace que la onda o el rayo vuelva a su medio original. Un fenómeno o acción esta que se produce en el campo de la luz y que para entenderlo hay que tener muy presente que dicha luz se caracteriza fundamentalmente porque cuenta con tres propiedades básicas.

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La primera de ellas es que se propaga en línea recta. La segunda es que se refleja cuando llega a cualquier superficie que sea reflectante y la tercera es que cambia de dirección en el momento que pasa de un medio a otro. Dependiendo de las características de la superficie que se encarga de la separación, es posible distinguir entre dos tipos de reflexión de la luz.

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La reflexión especular se produce si la superficie que genera el reflejo es lisa, lo que hace que los rayos que se reflejan sean paralelos a los incidentes. Esta es la reflexión que se desarrolla con un espejo, por ejemplo. La reflexión difusa, en cambio, ocurre cuando la imagen no logra conservarse, aunque sí se puede reflejar la energía.

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Uno de estos importantes postulados, es el siguiente:

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Cuando la luz llega a la superficie de un cuerpo, esta se refleja total o parcialmente en todas direcciones. Si la superficie es lisa como un espejo, los rayos son reflejados o rechazados en una sola dirección; toda superficie que refleja los rayos de luz recibe el nombre de espejo.

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Las dos leyes principales de la reflexión, son:

El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran en un mismo plano. Un rayo luminoso se refleja en la superficie plana formando un ángulo de reflexión igual al de incidencia. (El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión)

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Un espejo, es una superficie pulida en la que al incidir la luz, se refleja siguiendo las leyes de la reflexión. Los espejos modernos consisten de una delgada capa de plata o aluminio depositado sobre una plancha de vidrio, la cual protege el metal y hace al espejo más duradero y ver plateado. Estos pueden presentarse en distintas configuraciones según su forma.

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Planos: Estos espejos presentan una superficie lisa sumamente pulida. La imagen que dan estos espejos es como si el objeto reflejado se ubicara por detrás de la superficie del mismo, y no enfrente, como si se encontrara en el interior del mismo. Es por esto que se dice que la imagen que crea es virtual. La luz que se refleja en el espejo plano cumple con las

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Cóncavos: Estos espejos se caracterizan por tener su superficie en forma de paraboloide donde su lado reflexivo se ubica en el interior del mismo, es decir dentro de su curvatura. En estos espejos, la ley de reflexión se cumple sólo cuando los rayos de luz que son emanados por el objeto son paralelos al eje central del espejo. Los espejos cóncavos pueden mostrar

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Convexos: en estos espejos, que también son una porción esférica, su parte reflexiva se ubica al exterior del mismo. No muestran imágenes reales porque los rayos de luz emanados del objeto no se intersecan entre sí, sino que se divergen tras rebotar, por lo tanto, imágenes que reflejan son siempre virtuales.

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Los espejos esféricos tienen la forma de la superficie que resulta cuando una esfera es cortada por un plano. Si la superficie reflectora está situada en la cara interior de la esfera se dice que el espejo es cóncavo. Si está situada en la cara exterior se denomina convexo. Un espejo esférico está caracterizado por su radio de curvatura R.

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La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda señalada.

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La refracción ocurre cuando la luz se dobla al pasar de una sustancia transparente a otra, al igual que otras ondas como el agua y el sonido. Por ejemplo, cuando pasa del aire al agua. Entonces la refracción tiene que ver con dos cosas: la velocidad y el ángulo de incidencia. Cuanto más abierto sea el ángulo mayor el cambio de dirección y la refracción.

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Los postulados en cuanto a la reraccion de la luz, son los siguientes: Ley de Snell: „‟ La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es igual a la razón entre la velocidad de la onda en el primer medio y la velocidad de la onda en el segundo medio‟‟. Cuando la luz se refracta cambia de dirección porque se propaga con distinta velocidad en el nuevo medio.

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Estrictamente, una Lente óptica es cualquier entidad capaz de desviar los rayos de luz. En un uso más vulgar de la palabra, los lentes son objetos transparentes (normalmente de vidrio), limitados por dos superficies, de las que al menos una es curva. Sin embargo, otros dispositivos como lentes de Fresnel, que desvían la luz por medio del fenómeno de difracción, son de gran utilidad.

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Las lentes, según la forma que adopten pueden ser convergentes o divergentes.

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Las lentes convergentes: (O positivas) son más gruesas por su parte central y más estrechas en los bordes. Los lentes divergentes: (O negativos) son más gruesas por los bordes y presentan una estrechez muy pronunciada en el centro.

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Un telescopio es básicamente un instrumento óptico que recoge cierta cantidad de luz y la concentra en un punto. La cantidad de luz colectada por el instrumento depende fundamentalmente de la apertura del mismo (el diámetro del objetivo). Para visualizar las imágenes se utilizan los oculares, los cuales se disponen en el punto donde la luz es concentrada por el objetivo, el plano focal.

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La idea principal en un telescopio astronómico es la captación de la mayor cantidad de luz posible, necesaria para poder observar objetos de bajo brillo, así como para obtener imágenes nítidas y definidas, necesarias por ejemplo para observar detalles finos en planetas y separar estrellas dobles cerradas.

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Este es un sistema muy simple donde los rayos convergen en el plano focal y es ahí donde se dispone el correspondiente ocular para ampliar la imagen. Los rayos de los extremos del objetivo son los que sufren la mayor refracción, mientras que en el eje óptico (o eje de simetría), la luz no es desviada.

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El tipo de microscopio más utilizado es el microscopio óptico, que se sirve de la luz visible para crear una imagen aumentada del objeto. El microscopio óptico más simple es la lente convexa doble con una distancia focal corta. Estas lentes pueden aumentar un objeto hasta 15 veces. Por lo general, se utilizan microscopios compuestos, que disponen de varias lentes con las que se consiguen aumentos mayores.

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El microscopio compuesto consiste en dos sistemas de lentes, el objetivo y el ocular, montados en extremos opuestos de un tubo cerrado. El objetivo está compuesto de varias lentes que crean una imagen real aumentada del objeto examinado. Las lentes de los microscopios están dispuestas de forma que el objetivo se encuentre en el punto focal del ocular.

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El ojo humano esta ampliamente y lógicamente relacionada con la Optica. Esto proviene del simple hecho de la manera en que funciona. [El ojo humano] Es un sistema óptico formado por un dioptrio esférico y una lente, que reciben, respectivamente, el nombre de córnea y cristalino, y que son capaces de formar una imagen de los objetos sobre la superficie interna del ojo, en una zona denominada retina, que es sensible a la luz.

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Para enfocar correctamente los objetos situados en el infinito (izquierda) los músculos ciliares, que controlan la curvatura del cristalino, se relajan. El cristalino adquiere su mínima curvatura y los rayos convergen en la retina formando una imagen nítida del objeto. Cuando tratamos de ver un objeto situado a corta distancia los músculos ciliares se tensan aumentando la curvatura del cristalino.

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Hay distintos casos en cuanto a la afectacion de un ojo, y en cuanto a la solucion que se le da, por igual. Aqui hay algunos casos:

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Ojo hipermétrope: Un ojo hipermétrope forma la imagen de un objeto detrás de la retina. La imagen es, por tanto, borrosa, poco nítida. . Los hipermétropes tienen el punto próximo más alejado que una persona normal (tienden a alejar el texto que tratan de leer).

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Hay distintos casos en cuanto a la afectacion de un ojo, y en cuanto a la solucion que se le da, por igual. Aqui hay algunos casos:

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Ojo miope: Un ojo miope presenta un exceso de convergencia por lo que forma la imagen antes de la retina ocasionando una visión borrosa, sobre todo de los objetos situados lejos.

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Hay distintos casos en cuanto a la afectacion de un ojo, y en cuanto a la solucion que se le da, por igual. Aqui hay algunos casos:

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Ojo astigmático: El astigmatismo es un defecto (normalmente congénito) debido a que la córnea presenta distinta curvatura en el plano horizontal y el vertical. Por ejemplo, las letras se ven como si hubiera una sombras detrás o estuvieran deformadas.

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La óptica física es la rama de la física que toma la luz como una onda y explica algunos fenómenos que no se podrían explicar tomando la luz como un rayo. Estos fenómenos son: Difracción (Capacidad de las ondas para cambiar la dirección) y Polarización (Por la cual uno o más de los múltiples planos en que vibran las ondas de luz se filtra impidiendo su paso).

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La interferencia es un fenómeno característico de todo movimiento ondulatorio, trátese de ondas en el agua, ondas sonoras u ondas de luz. El fenómeno de interferencia es característico de las ondas y se produce al superponerse las ondas procedentes de dos puntos. El fenómeno de las interferencias se puede ver también de forma natural en las manchas de aceite o en la cara con información de los CDs.

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El fenómeno de los anillos de Newton, llamado así por Isaac Newton, es un patrón de interferencia causado por la reflexión de la luz entre dos superficies, una curva y la otra plana. Con una luz monocromática el patrón se observa como una serie de anillos concéntricos que alternan entre brillantes y oscuros, estos anillos tienen su centro en el punto de o entre las dos superficies.

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Cuando se coloca la luz blanca se forma un patrón de anillos concéntricos con los colores del arcoíris. Esto, porque los rayos de distinta longitud de onda que componen la luz blanca hacen interferencia en grosores distintos del aire entre el lente y la superficie plana. Los anillos blancos son formados por interferencia constructiva, mientras que los anillos negros son causados por interferencia destructiva

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La difracción puede ser definida como: “la desviación en la propagación rectilínea de la luz que no se debe ni a la refracción ni a la reflexión” y puede observarse al aparecer franjas luminosas en la zona correspondiente a la sombra geométrica de un objeto de pequeñas dimensiones.

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Uno de los fenómenos de la luz natural es su descomposición en todos los colores del arco iris, desde el rojo hasta el violeta, cuando se refracta a través de algún material de vidrio, este fenómeno recibe el nombre de dispersión y es debido a que la velocidad de la luz en un medio cualquiera varía con la longitud de onda.

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Ya que la luz es una electromagnética transversal, se puede visualizar, por el ejemplo de arriba, como poseedora de componentes horizontales y verticales. En la realidad, muchas de las oscilaciones tienen aspectos que son tanto verticales como horizontales. La luz que tiene oscilaciones en todas direcciones es denominada luz no polarizada. Para que se vuelva polarizada, uno de estos ejes (horizontal o vertical) se debe quitar.

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La polarización es un fenómeno físico mediante el cual la vibración de una onda transversal se mantiene paralela a una dirección fija en el espacio. Un polarizador es un dispositivo que origina la polarización de dicha onda. Si colocamos un segundo polarizador detrás del anterior y lo hacemos girar, vemos que la intensidad del haz va disminuyendo.

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