La Luz - Colegio Adventista La Serena

COLEGIO ADVENTISTA DE LA SERENA
DEPTO. DE MATEMÁTICAS Y FÍSICA
DOCENTE: HERNÁN AROS NÚÑEZ
GUIA DE FÍSICA PRIMEROS MEDIOS
TEORÍAS DE LA LUZ
Las teorías propuestas por los científicos para explicar la naturaleza de la luz han ido cambiando a lo
largo de la historia de la ciencia, a medida que se van descubriendo nuevas evidencias que permiten
interpretar su comportamiento, como corpúsculo, onda, radiación electromagnética, cuanto o como la
mecánica cuántica.
Teoría Corpuscular
Esta teoría fue planteada en el siglo xvii por el físico inglés Isaac Newton, quien señalaba que la luz
consistía en un flujo de pequeñísimas partículas o corpúsculos sin masa, emitidos por las fuentes luminosas,
que se movía en línea recta con gran rapidez. Gracias a esto, eran capaces de atravesar los cuerpos
transparentes, lo que nos permitía ver a través de ellos. En cambio, en los cuerpos opacos, los corpúsculos
rebotaban, por lo cual no podíamos observar los que había detrás de ellos.
Esta teoría explicaba con éxito la propagación rectilínea de la luz, la refracción y la reflexión, pero
no los anillos de Newton, las interferencias y la difracción. Además, experiencias realizadas posteriormente
permitieron demostrar que esta teoría no aclaraba en su totalidad la naturaleza de la luz
Teoría Ondulatoria
Fue el científico holandés Christian Huygens, contemporáneo de Newton, quien elaboraría una
teoría diferente para explicar la naturaleza y el comportamiento de la luz. Esta teoría postula que la luz
emitida por una fuente estaba formada por ondas, que correspondían al movimiento específico que sigue la
luz al propagarse a través del vacío en un medio insustancial e invisible llamado éter. Además, indica que la
rapidez de la luz disminuye al penetrar al agua. Con ello, explica y describe la refracción y las leyes de la
reflexión.
En sus inicios, esta teoría no fue considerada debido al prestigio de Newton. Pasó más de un siglo
para que fuera tomada en cuenta: se le sometió a pruebas a través de los trabajos del médico inglés Thomas
Young, sobre las interferencias luminosas, y el físico francés Augeste Jean Fresnel, sobre la difracción.
Como consecuencia, quedó de manifiesto que su poder explicativo era mayor que el de la teoría corpuscular.
Teoría Electromagnética
En el siglo XIX, se agregan a las teorías existentes de la época las ideas del físico James Clerk
Maxwell, quien explica notablemente que los fenómenos eléctricos están relacionados con los fenómenos
magnéticos. Al respecto, señala que cada variación en el campo eléctrico origina un cambio en la proximidad
del campo magnético e inversamente. Por lo tanto, la luz es una onda electromagnética transversal que se
propaga perpendicular entre sí. Este hecho permitió descartar que existiera un medio de propagación
insustancial e invisible, el éter, lo que fue comprobado por el experimento de Michelson y Morley.
Sin embargo esta teoría deja sin explicación fenómenos relacionados con el comportamiento de la luz en
cuanto a la absorción y la emisión: el efecto fotoeléctrico y la emisión de luz por cuerpos incandecentes. Lo
anterior da pie a la aparición de nuevas explicaciones sobre la naturaleza de la luz.
Teoría de los Cuantos
Esta teoría propuesta por el físico alemán Max Planck establece que los intercambios de energía
entre la materia y la luz solo son posibles por cantidades finitas o cuántos de luz, que posteriormente se
denominan fotones. La teoría tropieza con el inconveniente de no poder explicar los fenómenos de tipo
ondulatorio, como son las interferencias, las difracciones, entre otros. Nos encontramos nuevamente con dos
hipótesis contradictorias, la teoría de los cuantos y la electromagnética.
Posteriormente, basándose en la teoría cuántica de Planck, en 1905 el físico de origen
alemán Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico por medio de los corpúsculos de la luz, a los que llamó
fotones. Con esto propuso que la luz se comporta como onda en determinadas condiciones.
Mecánica Ondulatoria
Esta teoría reúne tanto la teoría electromagnética como la de los cuantos heredadas de la teoría
corpuscular y ondulatoria, con lo que se evidencia la doble naturaleza de la luz. El que esta se comporte como
onda y partícula fue corroborado por el físico francés Luis de Broglie, en el año 1924, quién agregó, además,
que los fotones tenían un movimiento ondulatorio, o sea, que la luz tiene un coportamiento dual. Así, la luz,
en cuanto a su propagación, se comporta como onda, pero su energía es trasportada junto con la onda
luminosa por unos pequeños corpúsculos que se denominan fotones.
Esta teoría establece, entonces, la naturaleza corpuscular de la luz en su interacción con la materia
( proceso de emisión y absorción) y la naturaleza electromagnética de su propagación.
ORIGEN DE LA LUZ
La luz se produce cuando un átomo es expuesto a una radiación externa, la que hace que algunos
electrones se exciten y salten a niveles de mayor energía, en un proceso llamado absorción, entonces el átomo
queda en un estado no estable, y pronto decae ese electrón a nivel de menor energía liberando la diferencia de
energía que hay entre los orbitales que se produjo el salto en forma de radiación electromagnética.
Cuando la radiación emitida tiene la frecuencia de la luz visible, podemos observar luz visible, la que
va desde los 380 nm hasta los 780 nm de longitud de onda (nm: nanómetro; 1nm = 10 -9 m).
Lámparas Fluorescentes: Por otro lado tenemos las lámparas de tipo fluorescentes (tubos o las
más pequeñas y modernas CFL). ¡Estas son mucho más interesantes! Todas estas lámparas funcionan por el
mismo principio: se hace pasar una corriente de electrones libres desde un extremo del tubo al otro, y estos
electrones en su camino chocan contra átomos del vapor de mercurio que las rellena:
Figura 1
En cada uno de estos choques ocurre algo muy interesante: el electrón libre que venía a toda
velocidad pierde la energía cinética (su "velocidad") y se la transfiere a uno de los 80 electrones que hay en
cada átomo de mercurio. Según las reglas de la mecánica cuántica, un electrón solo puede aceptar ciertas
cantidades (cuantos) de energía, que coinciden precisamente con los "escalones" que tiene que escalar hacia
niveles de orbitales más altos. Se dice entonces que el electrón está "excitado", y realmente no aguanta mucho
tiempo en ese estado hasta que vuelve a caer a su hueco natural. Como la energía ni se crea ni se destruye,
la energía que le sobra al caer la emite en forma de un fotón, un "paquetito de luz", cuya longitud de onda o
color depende exclusivamente del tamaño del escalón en la caída.
La siguiente figura te ayudará a entender todo esto para el ejemplo sencillo de un átomo de
hidrógeno con un sólo electrón:
Figura 2
Cuantización de la energía
Aunque en un principio fue ignorado por la comunidad científica, profundizó en el estudio de la
teoría del calor y descubrió, uno tras otro, los mismos principios que ya había enunciado Josiah Willard
Gibbs (sin conocerlos previamente, pues no habían sido divulgados). Las ideas de Clausius sobre la entropía
ocuparon un espacio central en sus pensamientos.
En 1889, descubrió una constante fundamental, la denominada Constante de Planck, usada para
calcular la energía de un fotón. La ley de Planck establece que la radiación no puede ser emitida ni absorbida
de forma continua, sino sólo en determinados momentos y pequeñas cantidades denominadas cuantos o
fotones. La energía de un cuanto o fotón depende de la frecuencia de la radiación:
E= hf
donde h es la constante de Plank y su valor es 6,62 x 10⁻³⁴ Js o también 4,13 x 10⁻¹⁵ eV.
Un año después descubrió la ley de radiación del calor, denominada Ley de Planck, que explica el
espectro de emisión de un cuerpo negro. Esta ley se convirtió en una de las bases de la teoría cuántica, que
emergió unos años más tarde con la colaboración de Albert Einstein y Niels Börh
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
La mayoría de las ondas electromagnéticas son originadas a partir de vibraciones de los electrones, la
cual genera perturbaciones que hace variar sus campos eléctricos y magnéticos. Estos son perpendiculares
entre sí. Respecto del movimiento de la perturbación, se trata de una onda transversal. Es por esta razón que
los electrones emiten energía en forma de onda electromagnética, tal como los rayos X, los rayos
ultravioletas, la luz visible, los rayos infrarrojos, las microondas o las ondas de radio y televisión. Todas ellas
están clasificadas y ordenadas de manera creciente en función de la longitud de onda y la frecuencia.
RAYOS X
Los rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, las
ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La
diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son radiaciones de origen nuclear
que se producen por la baja en la excitación de un núcleo de un nivel excitado a otro de menor energía y en la
desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de fenómenos extranucleares, a nivel
de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por la desaceleración de electrones. La energía de los
rayos X en general se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma producidos naturalmente.
Los rayos X son una radiación ionizante porque al interactuar con la materia produce la ionización de los
átomos de la misma, es decir, origina partículas con carga (iones).
INFRARROJO
La radiación
infrarroja, radiación
térmica o
radiación IR es
un
tipo
de radiación
electromagnética de mayor longitud de onda que la luz visible, pero menor que la de las microondas.
Consecuentemente, tiene menor frecuencia que la luz visible y mayor que las microondas. Su rango
de longitudes de onda va desde unos 0,7 hasta los 100 micrómetros. La radiación infrarroja es emitida por
cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor que 0 Kelvin, es decir, −273,15 grados Celsius (cero absoluto).
Los infrarrojos son clasificados, de acuerdo a su longitud de onda, de este modo:



infrarrojo cercano (de 800 nm a 2500 nm)
infrarrojo medio (de 2.5 µm a 50 µm)
infrarrojo lejano (de 50 µm a 1000 µm)
La materia, por su caracterización energética emite radiación. En general, la longitud de onda donde un
cuerpo emite el máximo de radiación es inversamente proporcional a la temperatura de éste (Ley de Wien).
De esta forma la mayoría de los objetos a temperaturas cotidianas tienen su máximo de emisión en el
infrarrojo. Los seres vivos, en especial los mamíferos, emiten una gran proporción de radiación en la parte
del espectro infrarrojo, debido a su calor corporal.
La potencia emitida en forma de calor por un cuerpo humano, por ejemplo, se puede obtener fácilmente a
partir de la superficie de su piel (unos 2 metros cuadrados) y su temperatura corporal (unos 37ºC, es decir
310ºK), por medio de la Ley de Stefan-Boltzmann, y resulta ser de alrededor de 1000 vatios.
Esto está íntimamente relacionado con la llamada "sensación térmica", según la cual podemos sentir frío
o calor independientemente de la temperatura ambiental, en función de la radiación que recibimos (por
ejemplo del Sol u otros cuerpos calientes más cercanos): Si recibimos más de los 1000 vatios que emitimos,
tendremos calor, y si recibimos menos, tendremos frío. En ambos casos la temperatura de nuestro cuerpo es
constante (37ºC) y la del aire que nos rodea también. Por lo tanto, la sensación térmica en aire quieto, sólo
tiene que ver con la cantidad de radiación (por lo general infrarroja) que recibimos y su balance con la que
emitimos constantemente como cuerpos calientes que somos. Si en cambio hay viento, la capa de aire en
contacto con nuestra piel puede ser reemplazada por aire a otra temperatura, lo que también altera el
equilibrio térmico y modifica la sensación térmica.
MICROONDA
Se denomina microondas a las ondas electromagnéticas definidas en un rango de frecuencias
determinado; generalmente de entre 300 MHz y 300 GHz, que supone un período de oscilación de 3 ns (3×109
s) a 3 ps (3×10-12 s) y una longitud de onda en el rango de 1 m a 1 mm. Otras definiciones, por ejemplo las
de los estándares IEC 60050 y IEEE 100 sitúan su rango de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, es decir,
longitudes de onda de entre 30 centímetros a 1 milímetro.
El rango de las microondas está incluido en las bandas de radiofrecuencia, concretamente en las
de UHF (ultra-high frequency - frecuencia ultra alta) 0,3–3 GHz, SHF (super-high frequency - frecuencia
super alta) 3–30 GHz y EHF (extremely-high frequency - frecuencia extremadamente alta) 30–300 GHz. Otras
bandas de radiofrecuencia incluyen ondas de menor frecuencia y mayor longitud de onda que las microondas.
Las microondas de mayor frecuencia y menor longitud de onda —en el orden de milímetros— se
denominan ondas milimétricas.
La existencia de ondas electromagnéticas, de las cuales las microondas forman parte del espectro de
alta frecuencia, fueron predichas por Maxwell en 1864 a partir de sus famosas Ecuaciones de Maxwell.
En 1888, Heinrich Rudolf Hertz fue el primero en demostrar la existencia de ondas electromagnéticas
mediante la construcción de un aparato para generar y detectar ondas de radiofrecuencia.
Las microondas pueden ser generadas de varias maneras, generalmente divididas en dos categorías:
dispositivos de estado sólido y dispositivos basados en tubos de vacío. Los dispositivos de estado sólido para
microondas están basados en semiconductores de silicio o arseniuro de galio, e incluyen transistores de efecto
campo (FET), transistores de unión bipolar (BJT), diodos Gunn y diodos IMPATT. Se han desarrollado
versiones especializadas de transistores estándar para altas velocidades que se usan comúnmente en
aplicaciones de microondas.
Imagen que muestra los principales componentes de un microonda y su funcionamiento
ULTRAVIOLETAS UV
A comienzo del siglo XIX, Johannes Ritter descubrió que el Sol, además de luz visible, emite una
radiación "invisible" de longitud de onda más corta que el azul y el violeta. Esa banda recibió el nombre de
"ultravioleta", dividida en tres subregiones:


UV-A: Es la continuación de la radiación visible y es la responsable del bronceado de la piel.
UV-B: Llega a la Tierra muy atenuada por la capa de ozono. Es llamada también UV biológica. Es
una radiación muy peligrosa para la vida en general y en particular para la salud humana,
especialmente en caso de exposiciones prolongadas de la piel y los ojos (cáncer de piel, melanoma,
catarata, debilitamiento del sistema inmunológico)
RAYOS ALFA, BETA Y GAMMA
Radiación alfa
Consiste en la emisión de partículas alfa (partículas cargadas positivamente compuestas por
dos protones y dos neutrones, siendo por tanto equivalentes a un núcleo de helio) por un núcleo atómico.
Cuando ocurre esta emisión, la masa del átomo en decaimiento disminuye cuatro unidades y su número
atómico disminuye en dos. Son desviadas por campos magnéticos y eléctricos. Son muy ionizantes aunque
poco penetrantes, la radiación alfa es bloqueada por apenas unos centímetros de aire o finas láminas de
algunos sólidos.
Radiación beta
Consiste en la emisión de electrones (beta negativas) o positrones (beta positivas) que provienen de
la desintegración de los neutrones o protones de un núcleo en un estado excitado. Cuando ocurre esta emisión
el número atómico aumenta o disminuye en una unidad y la masa atómica se mantiene constante. Esta
radiación es desviada por campos magnéticos. Su poder de ionización no es tan elevado como el de la
anterior, sin embargo es más penetrante, puede ser bloqueada por finas láminas de muchos sólidos.
Radiación gamma
Consiste en la emisión de ondas electromagnéticas de longitud de onda corta. Es la radiación más penetrante,
se necesitan capas muy gruesas de plomo o bario, u hormigón para detenerla o reducir su intensidad.
RAYOS CÓMICO
Los rayos cósmicos son partículas subatómicas que proceden del espacio exterior y que tienen una
energía muy elevada debido a su gran velocidad, cercana a la velocidad de la luz. Se descubrieron cuando
pudo comprobarse que la conductividad eléctrica de la atmósfera terrestre se debía a la ionización causada por
radiaciones de alta energía.
Victor Franz Hess, físico estadounidense de origen austríaco, demostró en el año 1911 que la
ionización atmosférica aumenta con la altitud, y concluyó que la radiación debía proceder del espacio
exterior. El descubrimiento de que la intensidad de radiación depende de la altitud indica que las partículas
que forman la radiación están eléctricamente cargadas y que son desviadas por el campo magnético terrestre.
El término «rayos cósmicos» fue acuñado por Millikan quien, contrario a Hess, planteaba que eran de origen
extraterrestre, aunque años más tarde Millikan apoyará la teoría de Hess.
ORIGEN DE LOS RAYOS CÓSMICOS
El origen de los rayos cósmicos aún no está claro. Se sabe que el Sol emite rayos cósmicos de baja
energía en los periodos en que se producen grandes erupciones solares, pero estos fenómenos estelares no son
frecuentes; por lo tanto, no explican el origen de los rayos cósmicos, como tampoco lo explican las erupciones
de otras estrellas semejantes al Sol. Las grandes explosiones de supernovas son, al menos, responsables de la
aceleración inicial de gran parte de los rayos cósmicos, ya que los restos de dichas explosiones son potentes
fuentes de radio, que implican la presencia de electrones de alta energía. En 2007, un grupo de científicos
argentinos del Observatorio Pierre Auger realizó un espectacular descubrimiento que inauguró una nueva
rama de la astronomía. Este grupo encontró evidencias de que la mayor parte de las partículas de rayos
cósmicos proviene de una constelación cercana, Centaurus.1 Esta constelación en tal caso contiene
una galaxia de núcleo activo y su núcleo activo se debe a la presencia de un agujero negro (probablemente
supermasivo), al caer la materia a la ergosfera del agujero negro y rotar velozmente, parte de tal materia fuga
a enormes velocidades, centrífugamente, en forma de protones y neutrones; al alcanzar la Tierra (u otros
planetas con atmósferas lo suficientemente densas) sólo llegan los protones que caen en cascadas de rayos
cósmicos tras chocar contra las capas superiores atmosféricas. El descubrimiento observado en Centaurus
parece ser extrapolable a todas las galaxias con núcleos activados por agujeros negros.
También se cree que en el espacio interestelar se produce una aceleración adicional como resultado
de las ondas de choque procedentes de las supernovas que se propagan hasta allí. No existen pruebas directas
de que las supernovas contribuyan de forma significativa a los rayos cósmicos. Sin embargo, se sugiere que
las estrellas binarias de rayos X pueden ser fuentes de rayos cósmicos. En esos sistemas, una estrella normal
cede masa a su compañera, una estrella de neutrones o un agujero negro.
Los estudios radioastronómicos de otras galaxias muestran que estas también contienen electrones de alta
energía. Los centros de algunas galaxias emiten ondas de radio con mucha mayor intensidad que la Vía
Láctea, lo que indica que contienen fuentes de partículas de alta energía.
REFLEXIÓN DE LA LUZ
CLASIFICACIÓN DE LAS IMÁGENES
Los espejos producen imágenes que tienen efectos diversos. Estas imágenes están siempre siguiendo
algunas leyes, y el conocimiento de ellas permite construir sistemas ópticos eficaces de tal manera que al
colocar un objeto delante, se puede conseguir el efecto deseado.
Un sistema óptico es un conjunto de medios materiales limitados por superficies, cuya finalidad es
aprovechar las propiedades de la luz en la construcción de instrumentos como espejos, lentes, lupas,
microscopios, telescopios y otros de cualquier naturaleza.
Cuando los rayos de luz parten de un mismo punto y se concentran en otro distinto, se dice que el
segundo es la imagen del primero.
Las imágenes se pueden clasificar según su naturaleza en:


Reales: Se forman cuando los rayos reflejados después de interactuar con un espejo o lente, se
intersectan en un punto. La imagen debe proyectarse sobre un plano o pantalla para ser visible.
Virtuales: Se forman cuando los rayos después de interactuar con un espejo o lente, divergen y son
sus proyecciones las que se unen en un punto. Estas imágenes no se pueden proyectar en un plano,
pero son visibles para el observador.
Con respecto a la posición, las imágenes pueden ser:


Derechas: Si están orientadas igual que el objeto
Invertidas: Si están en la posición contraria al objeto
Según su tamaño las imágenes se denominan:


Aumentadas o mayores si son más grande que el objeto.
Disminuidas o menores sin son más pequeñas en relación al objeto.
REFLEXIÓN DE LA LUZ
La reflexión de la luz es el cambio en la dirección que experimenta un rayo cuando incide sobre una
superficie opaca.
Reflexión difusa
Se produce cuando la luz incide en una superficie opaca, pero no pulimentada, la cual presenta una
serie de irregularidades, que hacen que la luz se refleje en distintas direcciones.
Un hecho importante es que gracias a este tipo de reflexión es posible que nos percatemos de la
existencia de luz en algún lugar.
Reflexión especular
Se produce en superficies totalmente pulimentadas como ocurre con los espejos. En este caso la
reflexión se produce en una sola dirección gracias a lo cual es posible formar imágenes.
Este tipo de reflexión obedece a la ley de reflexión por lo que ángulo de incidencia de los rayos es igual a
ángulo de reflexión.
LEY DE REFLEXIÓN
La ley de reflexión establece que el ángulo que forma el rayo incidente con la normal, es igual al
ángulo que se forma entre el rayo reflejado y la normal.
Cabe mencionar también que la reflexión ocurre en el mismo plano y que la normal siempre es
perpendicular a la superficie reflectante
FORMACIÓN DE IMÁGENES EN ESPEJOS PLANOS
La formación de imágenes en espejos planos tiene su explicación en la ley de reflexión, en general
los rayos se reflejan hacia el ojo como si procedieran desde atrás del espejo, pero realmente son los rayos que
provienen del objeto y que se reflejan en el espejo.
La imagen formada en el espejo plano tiene las siguientes características:
1.
2.
3.
4.
La imagen formada es virtual
La imagen formada está a la misma distancia que el objeto del espejo.
La imagen está derecha igual que el objeto, sin embargo experimenta una inversión lateral, o sea la
izquierda está a la derecha y viceversa
La imagen es de igual tamaño que el objeto.
Aplicación I ¿ De qué tamaño debe ser el espejo para que la persona se vea de cuerpo completo?
Lo primero que sabemos es que la imagen se encuentra a una distancia d del espejo y que el hombre
mide una altura h.
Ahora si observamos el triángulo P'DB es semejante al triángulo formado por la altura h, la distancia
del objeto a la imagen y la hipotenusa (OPP'), así la proporción de los lados no queda:
Por lo tanto el espejo debe tener un tamaño mínimo igual a la mitad del la altura de la persona de
manera que se pueda ver de cuerpo completo.
IMÁGENES EN ESPEJOS ANGULARES
Son espejos planos cuya unión forma un cierto ángulo. Si se coloca un objeto, se pueden observar
varias imágenes, de acuerdo al ángulo formado. Por ejemplo cuando se coloca dos espejos planos formando
un ángulo de 90°, se forman tres imágenes y la imagen del centro no presenta inversión lateral
Ángulo
N° de
imágenes
30°
11
45°
8
60°
5
72°
4
90°
3
120°
2
180°
1
FORMACIÓN DE IMÁGENES EN ESPEJOS PLANOS PARALELOS
Cuando dos espejos planos son colocados de manera paralela entre si y se coloca un objeto en medio
de ellos, se formarán infinitas imágenes, pues cada una de las imágenes se refleja en el otro espejo y así
sucesivamente.
Es muy común identificar este fenómeno en los ascensores, en los pasillos de los hoteles, etc.
ESPEJOS CURVOS
Los espejos curvos son superficies reflectoras en forma de casquetes esféricos, de metal o
vidrioplateado, los cuales pueden ser cóncavos o convexos.
En general este tipo de espejo formará distintas imágenes dependiendo de la posición en la que se
encuentra el objeto.
Espejo Cóncavo o convergente
Son aquellos que tienen la propiedad de que los rayos paralelos al eje óptico sea reflejados todos a
un punto llamado foco.
Estos espejos tiene un foco real.
Espejo Convexo o divergente
Son aquellos que al incidir rayos paralelos al eje óptico, los rayos de luz son dispersados como si los rayos
proviniesen del foco el cual en este tipo de espejos es foco virtual
ELEMENTOS DEL ESPEJO
CENTRO DE CURVATURA, C : Es el centro de la superficie esférica que pertenece al espejo. También
podemos decir que es el centro de la circunferencia a la cual se circunscribe el espejo.
RADIO DE CURVATURA, R: Es la distancia entre C y la superficie del espejo
VÉRTICE DEL ESPEJO, V: Es el origen del sistema de coordenadas, donde se intercepta la superficie del
espejo con el eje óptico.
EJE ÓPTICO: Es la recta que pasa por C y V, cortando al espejo en dos partes simétricas e iguales.
FOCO, F: Es el punto donde convergen los rayos paralelos al eje óptico en un espejo cóncavo. En general
como los espejos estudiados son de poca curvatura, podemos aproximar y decir que el foco se encuentra a la
mitad de la recta CV, o sea 2F = C
DESCRIPCIÓN DE LOS RAYOS PRINCIPALES
En la imágen de la parte superior se muestran los 4 rayos que pueden ser utilizados para encontrar la imágenes
en los espejos curvos. Se sugiere utilizar siempre el rayo que va en dirección al vértice (color negro) y el rayo
que pasa por el foco. A continuación se detalla cada uno:
1.
2.
3.
4.
Rayo de color rojo: Cualquier rayo que incide de manera paralela al eje óptico de refleja en
dirección del foco o su prolongación (espejo divergente)
Rayo de color verde: Todo rayo que pasa por el foco o viene en dirección del foco, al reflejarse lo
hace paralelo al eje óptico
Rayo Azul: Todo rayo que pasa por el centro de curvatura o en su dirección e incide perpendicular a
la superficie del espejo, necesariamente se refleja por la misma trayectoria, pero en sentido contrario.
Rayo de color negro: Este rayo que incide justo en el vértice del espejo, se refleja en el mismo
ángulo con el cual incidió y en el caso del espejo divergente es su proyección la que determina la
formación de la imágen.
LUZ Y SOMBRA
FUENTES DE LUZ
Lámpara de descarga
Las fuentes luminosas las podemos clasificar en dos grandes grupos, dependiendo del origen de estas:
Fuentes luminosas naturales: Son aquellas que pueden producir luz de manera natural, las estrellas, las
luciérnagas, etc
Fuentes artificiales de luz: Son aquellas en las que el hombre ha intervenido y entre las fuentes artificiales
están los siguientes tipos de lámparas:




Lámpara incandescente: origina la luz por incandescencia de un filamento metálico calentado por el
paso de la corriente eléctrica, la cual contiene un gas inerte que retarda la evaporación del filamento.
Lámparas halógenas: contienen vapor de halógeno, que permite remover continuamente el material
de un filamento que se deposita por la evaporación de la superficie interna de la ampolleta lo que
alarga su vida.
Lámpara de descarga: Produce luz mediante descarga eléctricas a través de un gas, un vapor metálico
o una mezcla de gases y vapores.
Lámparas Fluorescentes: Emite luz mediante una capa delgada de material fluorescente excitando
por la radiación ultravioleta de la descarga.
LUZ Y SOMBRA
Las ondas luminosas se suelen representar gráficamente mediante rayos de luz, por consiguiente, un rayo es la
línea recta que recorre la luz al propagarse. Esta es una aproximación de la óptica geométrica.
Si un objeto opaco se interpone en el camino de la luz, se forman sombras y penumbras, lo que nos demuestra
que la luz se propaga en línea recta en todas las direcciones.
Según el foco, ya sea una fuente puntual o extensa, se pueden distinguir sombras nítidas o Sombra y
penumbra.
La sombra es la zona que no es alcanzada por ningún rayo luminoso originado por el foco de luz. Puede ser
producida por una fuente de luz puntual o una extensa, si es que esta se encuentra próxima al cuerpo que será
iluminado.
La penumbra es la zona alcanzada sólo por algunos de los rayos que parten del foco luminoso. Se producirá
por la iluminación de una fuente de luz extensa o multipuntual.
En un eclipse de Sol, la Luna se interpone entre el Sol y la Tierra, lo que da lugar, sobre la superficie terrestre,
un área de sombra dentro de una amplia zona de penumbra. Como la Luna es muy pequeña en comparación
con el Sol, la sombra que se produce es reducida. Así, en la zona de la tierra donde se proyecte la sombra
aparecerá que es de noche durante algunos momentos y se producirá un eclipse total de Sol, y en los lugares
de la penumbra aparecerá un eclipse parcial de sol
REFRACCIÓN DE LA LUZ Y LEY DE SNELL
La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo
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, cuando pasa de un medio a otro.
Indice de refracción.
Como se ha dicho la rapidez de propagación de la luz cambia según el medio por el que viaja. El índice de
refracción relaciona la velocidad de la luz en el vacío con la velocidad de la luz en el medio.
En la ecuación
c= es la velocidad de la luz en el vacío
v= velocidad de la luz en el medio
n= Indice de refracción
El valor del índice de refracción permite diferenciar medios más o menos refringentes. Así un medio con un
valor pequeño de n es menos refringente, mientras mayor es
Material
Índice de refracción
Vacío
1
Aire (*)
1,0002926
Agua
1,3330
Acetaldehído
1,35
Solución de azúcar (30%) 1,38
1-butanol (a 20 °C)
1,399
Glicerina
1,473
Heptanol (a 25 °C)
1,423
Solución de azúcar (80%) 1,52
Benceno (a 20 °C)
1,501
Metanol (a 20 °C)
1,329
Cuarzo
1,544
Vidrio (corriente)
1,52
Disulfuro de carbono
1,6295
Cloruro de sodio
1,544
Diamante
2,42
Aplicación
Problema I: Un rayo incide sobre un vaso que contiene bebida sprite. Un estudiante de primero medio decide
aplicar sus conocimiento y quiere saber el índice derrefracción de la bebida y también la rapidez de la luz en
su interior. Para ello seconsigue un transportador, lo pega en el vaso y hace incidir con láser de color rojo
(λ=650 nm en el aire) detectando que el ángulo de incidencia es de 30° y el de refracción 23°. Conteste:
a) ¿ A qué índice de refracción llegó el estudiante?
b) ¿Qué longitud de onda tiene el rayo láser en la bebida?
c) ¿Cuál es la frecuencia de la luz?
d) ¿Qué velocidad lleva la luz láser en la bebida?
e) ¿Cuál sería el ángulo crítico para la interfaz sprite - aire?
Solución a) 1,28 indice de la sprite
b) 508 nm en la bebida
c) 4,6 x 10¹⁴ Hz d) 2,34 x 10⁸ m/s) e)
51,37° ángulo crítico
LEY DE SNELL
La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a
otro. Sólo 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, cuando pasa de un medio a otro.
Refracción y reflexión
Imágen que muestra la refracción y reflexión de la luz al llegar a un medio, la cantidad de luz reflejada y
refractada generalmente es de un 50%, sin embargo, existen recubrimientos (peliculas delgadas) que pueden
hacer variar estos porcentajes.
Dispersión de la luz
Imágen que muestra la dispersión de la luz blanca, si nos damos cuenta cada una de las ondas debe
experimentar la misma velocidad, recordemos que la frecuencia de una onda nunca cambia al pasar de un
medio a otro, por ejemplo si viene una onda de luz blanca del aire al prisma tendremos: una disminución en
la longitud de onda que se traduce en una disminución en su velocidad de propagación (velocidad de grupo),
por lo tanto el índice de refracción para este estudio básico de la óptica no depende de la frecuencia de la luz.
El color rojo tiene una mayor longitud de onda que el violeta, por ende al ingresar al prisma experimenta una
disminución en su longitud de onda. Cada color tiene su propia velocidad de propagación dentro del prisma.
REFLEXIÓN TOTAL INTERNA
En la reflexión total interna, se produce cuando el rayo refractado desde un medio de mayor índice de
refracción a uno menor, sale rasante a la superficie, por lo que decimos que el ángulo de refracción vale 90°
con respecto a la norma y el valor que adquiere el ángulo de incidencia para lo cual ocurre se llama ángulo
crítico.