FÍSICA: 2º BACHILLERATOBloque III: Óptica

Naturaleza de la luz.

1671. Según la teoría corpuscular (Isaac Newton) Supone que la luz está formada por partículas materiales, que llamó corpúsculos que son lanzados gran velocidad por los

cuerpos emisores de luz. Sus métodos mecánicos le condujeron a conclusiones erróneas, al afirmar que la velocidad de la luz era superior en el agua que en el aire

1678,Segúnla teoría ondulatoria (Christian Huygens) la luz es una onda (energía). Huygens propuso que la luz consiste en la propagación de una perturbación ondulatoria del medio. Creía que eran ondas longitudinales similares a las sonoras. Se sabía que la luz puede propagarse en el vacío. Se inventa un medio muy sutil y de perfecta elasticidad que permita dicha propagación. Se le llama éter

En la actualidad se sostiene que la luz tiene una doble naturaleza, corpuscular y ondulatoria. Se propaga mediante ondas electromagnéticas y presenta fenómenos típicamente ondulatorios, pero en su interacción con la materia en ciertos fenómenos de intercambio de energía tiene carácter corpuscular. Nunca manifiesta las dos condiciones simultáneamente, en un fenómeno concreto o es onda o es corpúsculo.

La luz no se propaga igual en todos los medios, depende de las características del medio. El índice de refracción (n) de un medio es el cociente entre la velocidad de propagación de la onda luminosa en el vacío y la velocidad de propagación de la onda luminosa en el medio correspondiente.

n=c/v , donde c=3·108 m/sCálculo de la velocidad de la luz

Durante mucho tiempo se pensó que la velocidad de la luz era infinita. Galileo supuso que la velocidad de la luz era finita pero muy elevada e intentó medirla con observadores con focos luminosos pero fracaso porque la velocidad de reacción de estos era muy inferior a la de la luz. La velocidad de la luz fue calculada por primera vez por Olaf Römer (1675) y posteriormente por Fizeau (1849)

James Clerk Maxwell demostró que las ondas luminosas son electromagnéticas, del tipo de las ondas de radio, y no necesitan medio alguno para propagarse

Reflexión

Cuando un rayo luminoso incide en la superficie de separación de dos medios distintos parte de la energía luminosa sigue propagándose en el mismo medio ( se refleja) y parte

pasa a propagarse por el otro medio con una velocidad distinta ( se refracta).Se denomina rayo incidente a aquel que representa la luz que incide sobre la superficie, rayo reflejado al que representa la fracción de energía luminosa reflejada y rayo refractado al que representa la fracción de energía que se propaga por el nuevo medio.Se puede demostrar experimentalmente que el rayo incidente, el reflejado y la normal a la superficie se encuentran en el mismo plano llamado plano de incidencia.

Cuando un rayo de luz consta de varios rayos e incide sobre una superficie lisa, similar a un espejo, se refleja, como indica la figura, y todos los rayos reflejados son paralelos. La reflexión de la luz desde ese objeto liso se llama especular. Si la superficie reflectora es rugosa, la superficie reflejará los rayos en diferentes direcciones. Se conoce como reflexión difusa. Esto nos permite ver las superficies de objetos que no emiten luz propia y que de otra manera no percibiríamos Una superficie se comportará como una superficie pulida si las variaciones superficiales son pequeñas en comparación con la longitud de onda incidente.

Polarización de la luz

La polarización solo puede presentarse en los movimientos ondulatorios de vibración transversal.Es una propiedad exclusiva de las ondas transversales que consiste en la vibración del campo eléctrico y del magnético en una dirección preferente sobre las demás.En general las ondas electromagnéticas no están polarizadas, lo que significa que el campo eléctrico y el magnético pueden vibrar en cualquiera de las infinitas direcciones que son perpendiculares a la dirección de propagación.Se produce la polarización cuando se consigue que la vibración se realice en una dirección determinada.Para estudiar el fenómeno, se observa la dirección de vibración del campo eléctrico pues el magnético, por ser perpendicular al eléctrico y a la dirección de propagación, queda fijado automáticamente.

Láminas plano paralelas

En la primera superficie aplicando la ley de Snell para la refracción:

E

E

E Campo eléctricoB

B

B Campo magnético

n n’ n

CONVENIO DE SIGNOS

Las magnitudes que hacen referencia a la imagen son las mismas que las referidas al objeto añadiéndoles el signo <<prima>>

La luz siempre se propaga de izquierda a derecha

En la dirección OX, las distancias son positivas hacia la derecha del vértice del sistema óptico, y negativas en caso contrario

En la dirección OY, las magnitudes medidas por encima del eje óptico son positivas, y las medidas por debajo, negativas

OX

OY

•F’

•F

Propagación

s < 0Y>0

Y’<0

f ’<0 f>0

Normas DIN

n·senε1=n’·senε’1

En la segunda superficie aplicando la ley de Snell para la refracción:n’·senε’2=n·senε2

Tenemos como resultado que el ángulo de incidencia ε1 y el ángulo de salida ε2 son iguales: ε1=ε2

Existe un desplazamiento d, al pasar el rayo de luz por la lámina plano paralela, debido a la doble refracción sufrida por dicho rayo

Prismas ópticos

donde:ε1: ángulos de incidencia

ε1’: ángulo de refracción de la primera caraε2’: ángulo de refracción de la segunda caraε2: ángulo de salida

Refracciones en las caras del prisma:

Primera cara: n·senε1=n’·senε’1

Segunda cara: n’·senε’2=n·senε2

α: ángulo del prisma o ángulo de refrigencia= ε1’+ε2’δ: ángulo de desviación: ε1+ε2-α

Caso particular: rayo interno paralelo al plano inferior del prisma: en este caso:Los ángulos de incidencia y salida: ε1=ε2

Los ángulos refractados: ε1’=ε2’Dispersión de la luz en un prisma:

La dispersión de la luz es la separación de un rayo de luz en sus componentes debido a su diferente índice de refracción.La luz blanca está formada por una mezcla de luces de diversos colores y cada color corresponde a una determinada longitud de onda, siendo el extremo del espectro luminoso visible (mínima frecuencia) el rojo y el otro extremo el violeta.

n’

n

n

e

d d

n´nn

1 22

1

N1

N2

n´nnN1

Dioptrios:

Un dioptrio es una superficie que separa dos medios de distinto índice de refracción.

Ecuaciones de un dioptrio: Ecuación de Gauss para un dioptrio

Formación de imágenes en un dioptrio

a. El Rayo sale del objeto que va paralelo al eje óptico, después de pasar por el dioptrio pasa por el foco F imagen.

b. Rayo que pasa por el centro de curvatura y no se desvíac. Rayo que pasa por el foco F, y después de pasar por el dioptrio sale paralelo al eje óptico.La imagen formada termina en el punto de corte de las tres líneas y comienza en el eje óptico.

n1=índice de refracción del medio n2= índice de refracción del dioptrios1= distancia del objeto al dioptrio s2= distancia de la imagen al dioptrio

Aumento de un dioptrioEl aumento es la relación entre los tamaños de la imagen y del objeto.

Lentes

Una lente es un conjunto de dos dioptrios, al menos uno esférico.Vamos a trabajar solo con lentes delgadas; en las que la anchura es despreciable frente al radio de curvatura.Convergentes: Son más gruesas en el centro. Divergentes: Son más gruesas en los extremos.

21

1111rrn

nnss m

ml

ff

Aumento de una lente: El aumento de la lente viene dado por una semejanza de triángulos:

Se define la potencia de una lente como la inversa de la distancia focal y se mide en dioptrías (m-1)

Espejos

Vamos a considerar un espejo como un dioptrio esférico en el que el índice de refracción n 2 es igual y de sentido contrario al n1. El rayo llega se refleja y vuelve por el primer medio pero en sentido contrario. si n2=n1 entonces tenemos que:

Los espejos cóncavos tienen radio negativo y los convexos positivo.

De la fórmula del espejo podemos deducir inmediatamente que la distancia focal es la mitad del radio: 2f= R

Aumento de un espejo :En la fórmula del aumento de un dioptrio, recordando que en los espejos

Resumen de fórmulas y ecuaciones:

Óptica de la visiónEl ojo humano es una esfera de unos 25 mm de diámetro. En él se distinguen las siguientes partes:En él se distinguen las siguientes partes:Esclerótica: membrana blanca, opaca y resistente. Termina en la

córnea por la parte anterior.Coroides: Recubre la parte interior del ojo excepto la cornea. Retina: membrana situada en el fondo del ojo llena de células

nerviosas en la que se proyectan las imágenes. En la retina hay dos tipos de células: conos y bastones. Los bastones detectan la intensidad de luz y los conos los colores. Hay tres tipos de conos en función del color al que son sensibles: rojo, verde y azul. Cualquier color se forma por combinación de esos tres. La mácula es la zona en la que hay mayor concentración de conos.

Cristalino: Lente biconvexa elástica. Está sujeto al globo ocular por los músculos ciliares que permiten modificar el radio de curvatura.

El conjunto pupila/iris selecciona la cantidad de luz que entra en el ojo.

Defectos de la visión:

Miopía.Se debe a un alargamiento del ojo. Se ven bien los objetos cercanos pero la imagen de objetos lejanos se forma por delante de la retina por lo que se ven borrosos. Se corrige con lentes divergentes.

Hipermetropía.

Cristalino: Actúa como una lente biconvexaHumor acuoso:disolución salina con n= 1,34

Córnea

PupilaIris: controla el paso de la luz al interiorNervio óptico

Imagen

Objeto

BastonesConos El interior del ojo humano

está formado por una serie de medios transparentes a la luz donde pueden aplicarse las leyes de la óptica geométrica

MIOPÍA

HIPERMETROPÍA

Corrección

Defecto

La imagen se forma por delante de la retina

Mediante una lente divergente se consigue un enfoque correcto

Es lo contrario de la miopía. Se ven bien los objetos lejanos pero no los cercanos porque la imagen se forma por detrás de la retina. Se corrige con lentes convergentes.