La Óptica La Óptica es una rama de la Física que se ocupa de la

La Óptica
La Óptica es una rama de la Física que se ocupa de la propagación y el
comportamiento de la luz. En un sentido amplio, la luz es la zona del espectro de
radiación electromagnética que se extiende desde los rayos X hasta las
microondas, e incluye la energía radiante que produce la sensación de visión. El
estudio de la óptica se divide en dos ramas, la óptica geométrica y la óptica física
(Biblioteca de Consulta Microsoft ® Encarta ® 2005).
Óptica Geométrica
La óptica geométrica usa la noción de rayo luminoso, viene siendo una
aproximación del comportamiento de las ondas electromagnéticas, cuando los
objetos involucrados son de tamaño mucho mayor que la longitud de onda usada,
ello permite despreciar los efectos derivados de la difracción, comportamiento
ligado a la naturaleza ondulatoria de la luz.
Brett y Suárez (2004) definen la óptica geométrica de la siguiente manera:“La
óptica geométrica, es la parte de la óptica en la cual se estudian las leyes de la
propagación de la energía luminosa en medios transparentes sobre la base de la
representación del rayo luminoso” (p.303)
Óptica Física.
Es la rama de la óptica 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: polarización, difracción e interferencia.
En cuanto a la interferencia y la difracción, este fenómeno es observado
cuando dos haces de luz que se cruzan pueden interferir, lo que afecta a la
distribución de intensidades resultante. La coherencia de dos haces expresa hasta
qué punto están en fase sus ondas. Si la relación de fase cambia de forma rápida
y aleatoria, los haces son incoherentes. La difracción, por su parte, es un
fenómeno del movimiento ondulatorio en el que una onda de cualquier tipo se
extiende después de pasar junto al borde de un objeto sólido o atravesar una
rendija estrecha, en lugar de seguir avanzando en línea recta. La expansión de la
luz por la difracción produce una borrosidad que limita la capacidad de aumento
útil de un microscopio o telescopio; por ejemplo, los detalles menores de media
milésima de milímetro no pueden verse en la mayoría de los microscopios ópticos.
(Biblioteca de Consulta Microsoft ® Encarta ® 2005).
Naturaleza de la Luz
Buena parte de la controversia sobre la naturaleza de la luz entre los
seguidores de la Teoría Corpuscular, como Isaac Newton, y de la Teoría
Ondulatoria, como Christian Huygens y Robert Hooke, se basó en las distintas
interpretaciones sobre la manera cómo la luz se mueve y progresa a través de
distintos materiales, cómo es afectada en su trayectoria al pasar de un medio a
otro y, sobretodo, cuál es la naturaleza de la interacción que se produce en la
frontera entre dos medios.
Newton supuso que estaba formada por pequeños corpúsculos que salían de
un cuerpo luminoso y que al herir el ojo permitían la observación de los objetos de
donde habían partido. De esta manera explicaba el comportamiento de la luz al
pasar de un medio transparente a otro, como por ejemplo del agua al aire, o al
reflejarse en los espejos en estos casos, el rayo de luz se quiebra y se desvía de
su dirección inicial.(Alberto Maiztegui y Jorge Sábato 1972 )
Enoc Sánchez (2005) describe lo siguiente: “Isaac Newton, quien desarrollo
una teoría corpuscular, cuya idea básica es que la luz emitida por una fuente,
consiste en corriente de corpúsculos que se desplazan en trayectorias rectilíneas
en todas las direcciones de la fuente”. (p.168)
La propagación de la luz se describe mejor con el modelo ondulatorio, pero
para comprender la emisión y la absorción se requiere un enfoque corpuscular.
Huygens en 1670 propuso una teoría de ondas para la luz, la cual se basa en
que la luz no es más que una propagación de ondas
defiende un modelo
ondulatorio, la luz es una onda. Con este modelo se explicaban fenómenos como
la interferencia y difracción que el modelo corpuscular no era capaz de explicar.
Así la luz era una onda longitudinal, pero las ondas longitudinales necesitan un
medio para poder propagarse. (Camero y Crespo 2001).
Albert Einstein (1879-1955) proponía la teoría de los cuantos de luz
(actualmente denominados fotones), en la que explicaba que los sistemas físicos
podían tener tanto propiedades ondulatorias como corpusculares. De esta maner a,
la naturaleza de la luz que se podría definir de la siguiente manera: La luz se
comporta como una onda electromagnética en todo lo referente a su propagación,
sin embargo se comporta como un haz de partículas (fotones) cuando interacciona
con la materia. (Santillana 2011).
Propagación de la Luz
La luz está formada por pequeñas partículas llamadas fotones que viajan a
gran velocidad, se propagan en ondas lumínicas, que viajan en línea recta,
llamada haz de luz. Y se caracteriza por lapropagación en línea recta, reflexión de
la luz, refracción de la luz. Camero y Crespo(2001) definen lo siguiente:
Algunas propiedades de la luz pueden estudiarse desde el punto de
vista del modelo de rayos, el cual consiste en admitir que la luz se
propaga en línea recta en un medio homogéneo, siendo los rayos de luz
líneas rectas imaginarias que parten de la fuente luminosa y se dirigen
a todos los puntos del espacio.(p. 168).
La luz se propaga en línea recta. Por eso la luz deja de verse cuando se
interpone un cuerpo entre el recorrido de la luz y la fuente luminosa.
Cuando se coloca una fuente luminosa en el centro de una habitación, se
observa que la luz es capaz de iluminar a todos los objetos opacos. Las sombras
proyectadas por estos objetos, se deben a que la luz se propaga en línea recta y
los espacios detrás de los objetos opacos son inaccesibles a ella. Por otra parte se
tiene, que cuando una fuente de luz ilumina una pantalla y se interpone entre esta
y la fuente un objeto opaco, se proyectara su silueta en la pantalla, dicha silueta es
una zona de sombra. Algunas sombras que se forman tienen en borde
desvanecido, es decir, existe una sombra intermedia entre la sombra y la claridad
total, que es a la que se llama penumbra. Brett y Suárez (2004) definen lo
siguiente: “La sombra de un cuerpo opaco es la zona totalmente privada de luz
detrás del objeto y limitada por los rayos tangentes que, partiendo de un punto
luminoso, bordean el objeto opaco”. (p.300), por otro lado estos autores
mencionan que “La penumbra es la zona parcialmente iluminada que bordea a la
sombra producida por un objeto opaco al ser alumbrado por un objeto luminoso”.
(p.301).
Reflexión de la Luz
La reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimentan los rayos de
luz al llegar a una superficie esto ocurre cuando los fotones de luz chocan contra
cualquier superficie de los cuerpos que no los absorben. Esta propiedad es muy
notoria en las superficies pulidas y lisas, como los espejos, la superficie del agua
en reposo y el piso brillante. La reflexión puede ser: difusa y especular. (Camero y
Crespo 2001)
La reflexión difusa es el fenómeno que ocurre cuando un rayo de luz incide
sobre una superficie rugosa y después del choque los rayos no continúan siendo
paralelos sino que se reflejan en todas las direcciones. La reflexión especular o
regular es que tiene lugar en las superficies lisas como los espejos, en donde un
haz de rayos paralelos después de chocar con la superficie y al ser reflejados
continúan siendo paralelos. Para Brett y Suárez (2004) la reflexión consta de una
serie de elementos y leyes como se muestran en los siguientes esquemas:
Fig. 1 Elementos de la Reflexión
Leyes de la Reflexión
El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en un mismo plano,
perpendicular al espejo, llamado plano de reflexión.
El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
Fig. 2 Leyes de la Reflexión
La reflexión total interna es el fenómeno que ocurre cuando la luz incide sobre
la superficie de contacto de dos materiales transparentes a un ángulo muy
cerrado. La luz tiene que estar pasando a través de un medio con un índice de
refracción mayor que el del medio contiguo. Para que este hecho ocurra se deben
cumplir las condiciones siguientes: que la luz se traslade de un medio más denso
a otro menos denso y que el ángulo de incidencia sea superior al ángulo límite.
Brett y Suárez (2004)
Para Camero y Crespo (2001) la reflexión total tiene las siguientes
aplicaciones:
Espejismos
Es un fenómeno de la reflexión total. El sol, al calentar las capas de aire que
están en contacto con el suelo, produce capas de aire de diferentes densidades,
las más próximas al suelo se calientan más que las más alejadas. Luego, un rayo
que proveniente de las capas más alejadas pasa de un medio más denso a otro
menos denso. Un rayo de luz, va incidiendo con ángulo cada vez mayor, por
sucesivas refracciones, hasta alcanzar el ángulo limite y, a partir de entonces, se
produce la reflexión total.
Fig. 3 Espejismo
El prisma de reflexión total
Es un prisma que tiene un índice de refracción tal que le corresponde un
ángulo límite de 42º, de manera que todo rayo que incida con un ángulo mayor se
reflejara totalmente. Estos prismas son excelentes reflectores y se emplean en
instrumentos ópticos donde se desee cambiar la dirección de los rayos tales como:
periscopios, prismáticos, fotómetros.
Las fuentes luminosas
En esta se explica el hecho de que en un chorro de agua se vea iluminado,
como ocurre en las fuentes luminosas, aquí se mantiene aprisionada la luz, porque
los rayos inciden en la superficie interior de los chorros con ángulos superiores al
ángulo limite.
Refracción
Es otra propiedad de la luz que consiste en la desviación que experimentan los
rayos luminosos al atravesar medios de diferentes densidades. La luz viaja a
velocidades diferentes en medios, es por ello que cuando la luz al atravesar los
medios cambia su dirección.
Fig. 4 Refracción
La refracción consta de una serie de elementos presentados a continuación
(Brett y Suárez 2004)
Fig. 5 Elementos de la Refracción
Para Brett y Suárez (2004) las leyes de refracción son:
Primera Ley: el rayo incidente, el rayo refractado y la normal se encuentran
todos en el mismo plano.
Segunda ley: conocida como Ley de Snell, el cociente entre el seno del
ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es constante y se llama
índice de refracción de la segunda sustancia con respecto a la primera. (p.316).
Dispersión
La luz blanca ordinaria es una superposición de ondas con longitudes que se
extienden a través de todo el espectro visible. La rapidez de la luz en el vacío es la
misma para todas las longitudes de onda, pero la rapidez en una sustancia
material es diferente para distintas longitudes de onda. En consecuencia, el índice
de refracción de un material depende de la longitud de onda.
Al incidir un rayo de luz blanca en un prisma esta se descompone en forma de
arco iris formando una serie de colores en el siguiente orden: rojo, anaranjado,
amarillo, verde, azul, índigo, violeta, esta descomposición para cada color se debe
a que el ángulo de refracción es diferente para cada uno y a esto es lo que se
llama dispersión. (Brett y Suárez 2004).
Espejos
Son superficies reflectoras que pueden ser planas o esféricas, un espejo plano
es toda superficie pulimentada destinada a dar imágenes por reflexión. Brett y
Suárez (2004)
Imágenes En Espejos Planos
Si delante de un espejo plano colocamos un objeto, la imagen de un punto de
dicho objeto se forma de la siguiente manera:
De los infinitos rayos que parten de un punto se toman dos cualesquiera, que
inciden sobre el espejo, estos rayos se reflejan siguiendo las leyes de reflexión. Si
estos rayos al llegar al ojo de un observador, este los percibe como si procedieran
de un punto. En consecuencia, el observador ve la imagen del punto en la
prolongación de los rayos que le llegan. La imagen del punto es una imagen
virtual. (Camero y Crespo 2001).
Características de Imágenes en Espejos Planos
 La imagen es virtual la cual forma con la prolongación de los rayos
reflejados.
 Es del mismo tamaño que el objeto.
 Es derecha es decir que lo que aparece en la parte superior del objeto
también aparece en la parte superior de la imagen.
 El objeto y la imagen la izquierda y la derecha aparecen intercambiadas,
por ejemplo, si vemos la mano derecha se reflejara como si fuera la mano
izquierda.
 La imagen es simétrica del objeto respecto al espejo. Esto quiere decir, que
la distancia del objeto al espejo es la misma que existe entre la imagen y el
espejo.
Espejos esféricos
Los espejos esféricos son casquetes de superficies esféricas regularmente
reflectoras. De acuerdo con la cara del casquete por donde incida la luz, el espejo
puede ser cóncavo o convexo. En un espejo cóncavo la superficie reflectora es la
parte interior de la superficie esférica, mientras que uno convexo, la luz incide por
la parte externa de la superficie esférica. (Santillana 2011).
Fig. 6 Espejo cóncavo y convexo
Lentes
Las lentes son medios materiales transparentes, como el vidrio o el plástico,
cuyas superficies pueden ser curvas, planas o una combinación de las dos. Por su
forma, las lentes pueden ser esféricas si pertenecen a una porción de esfera, o
cilíndricas, si esas superficies son una porción de cilindro. Sin embargo, es más
frecuente clasificarlas como convergentes y divergentes. (Santillana 2011).
Lentes convergentes:
Una lente es convergente si al incidir en ella rayos de luz paralelos, los reemite
de tal forma que convergen en un mismo punto. Estas lentes son más gruesas en
el centro que en los extremos. En la siguiente figura, se muestran las diferentes
formas de lentes convergentes.
Fig. 7 Lentes convergentes
Lentes divergentes
Una lente es divergente si al incidir en ella rayos de luz paralelos, los reemite de
tal forma que divergen completamente, como si provinieran de un mismo punto.
Estas lentes son angostas en el centro y más gruesas en los extremos. A
continuación se representan diferentes formas de lentes divergentes.
Fig. 8 Lentes divergentes
Instrumentos Ópticos
Un instrumento óptico sirve para procesar ondas de luz con el fin de mejorar
una imagen para su visualización, están constituidos por diversas clases de lentes,
prismas y/o espejos, que aprovechan las propiedades de la luz. Y se clasifican de
acuerdo con la imagen producida, ya sea real o virtual . Los instrumentos que
forman imágenes reales se denominan objetivos o de proyección y no necesitan
del ojo humano para observar la imagen del objeto, como lo son: la cámara
fotográfica, proyectores de cine, de diapositivas, de vídeo, el retroproyector y los
instrumentos que forman imágenes virtuales se denominan subjetivos o de
observación y necesitan del ojo humano para observar la imagen del objeto, como
lo son la lupa, el microscopio o el telescopio. Roca y Corominas (1996).
El ojo se puede considerar como un instrumento óptico que produce una
imagen real sobre la retina.
El ojo humano
El ojo es el órgano receptor responsable de la función de la visión. Los rayos
luminosos provenientes del objeto atraviesan la córnea, donde sufren la primera
refracción. Detrás de la córnea existe un líquido llamado humor acuoso en el cual
los rayos luminosos experimentan una difracción. La cantidad de luz que ingresa
al ojo es regulada por el iris que rodea la pupila y le da el color característico al
ojo.
Las ondas luminosas atraviesan el cristalino, cuya estructura elástica y
transparente actúa como una lente convergente. Los rayos de luz vuelven a
refractarse al atravesar el humor vítreo, una sustancia gelatinosa que ocupa la
parte interna del globo ocular, para llegar finalmente a la retina, la cual se
comporta como una pantalla para los rayos luminosos. Allí se forma una imagen
real, menor e invertida, de lo que se ve, luego el nervio óptico envía un estímulo al
cerebro que interpreta la imagen.(Santillana 2011)
En la siguiente figura, se muestran los elementos que componen el ojo
Fig. 9 El ojo humano
La Cámara Fotográfica
Una cámara fotográfica es una caja hermética a la luz que usa una lente o una
combinación de lentes para formar una imagen real e invertida sobre una película
sensible a la luz. La luz de esta imagen afecta las sustancias químicas de la
película, de tal modo, que la imagen queda registrada permanentemente. En la
siguiente figura se representa la formación de una imagen por una cámara
fotográfica. La cámara tiene un obturador que deja pasar la luz a través de la lente
por un tiempo muy corto. Para que la fotografía sea de mejor calidad se deben
controlar tres aspectos: la rapidez del obturador, el grado de abertura del
diafragma y el enfoque.(Santillana 2011)
Fig. 10 Cámara fotográfica
Según Roca y Corominas (1996) la cámara fotográfica debe tener las
siguientes cualidades:
Un tiempo de exposición bastante corto, de manera que se puedan tomar
instantáneas rápidas de escenas en movimiento, también un grado de claridad
para lograr la nitidez de la imagen
Un gran campo, de manera que se pueda tomar panorámicas y fotografiar objetos
a una distancia pequeña para lograr imágenes de monumentos o grupo grande de
personas.
Una profundidad de campo bastante grande, de forma que los objetos
situados en planos diferentes dan simultáneamente imágenes nítidas en la placa o
la película. La profundidad de campo es la distancia entre dos planos límites y a
medida que la distancia focal y las aperturas son más pequeñas esta distancia se
hace mayor.
Lupa
Es un instrumento subjetivo, es decir, el ojo observa directamente la imagen
que nos proporciona el instrumento y está formada por una lente convergente
destinada a la observación de los detalles en objetos próximos, y nos permite ver
aumentadas las dimensiones aparentes de objetos pequeños y próximos. La
potencia de una lupa depende de su distancia focal, de la distancia del ojo a la
imagen que depende de la posición del objeto y de la posición del ojo respecto a la
lupa.(Roca y Corominas 2006).
Fig. 11 Lupa
Microscopio
Un microscopio es un sistema de lentes que produce una imagen virtual
aumentada de un pequeño objeto.El microscopio más simple es una lente
convergente, conocida como lupa.(Roca y Corominas 2006).
Fig. 12 Microscopio
Microscopio Compuesto
Un microscopio compuesto está constituido por dos sistemas convergentes un
objetivo y un ocular. El objetivo representado por una lente convergente de
pequeña distancia focal que representa la imagen de un pequeño objeto como una
imagen real invertida de mayor tamaño, y el ocular representado por una lente
convergente pero de mayor distancia focal que la del objetivo y produce una
imagen mayor que la imagen real.En consecuencia el microscopio compuesto
produce una imagen virtual invertida respecto al objeto y de mayor tamaño que el
mismo. (Camero y Crespo 2001).
Fig. 13 Esquema Geométrico Microscopio compuesto
Telescopio
Un telescopio es un instrumento que permite la observación de objetos lejanos,
al igual que el microscopio compuesto requiere más de una lente. La parte óptica
se compone de dos sistemas de lentes: un objetivo y un ocular, ambos
convergentes. El objetivo representado por la lente convergente y con una
distancia focal muy grande mientras el ocular representa una distancia focal
menor. Permite observar objetos lejanos, que inciden como rayos paralelos al
objetivo, la imagen se forma dentro de la distancia focal del ocular, El telescopio
ha sido uno de los instrumentos que han contribuido en mayor medida al
conocimiento adquirido por el hombre sobre los cuerpos celeste. (Enoc Sánchez
2005).
Fig.14 El telescopio
Tipos de telescopios
 Telescopio Refractor
Es un sistema óptico centrado, que capta imágenes de objetos lejanos
utilizando un sistema de lentes convergentes en los que la luz se refracta. La
refracción de la luz en la lente del objetivo hace que los rayos paralelos,
procedentes de un objeto muy alejado (en el infinito), converjan sobre un punto del
plano focal. Esto permite mostrar los objetos lejanos mayores y más brillantes. La
luz viaja a través de unas lentes y es desviada y amplificada por la curvatura de
esas lentes antes de alcanzar el ojo. El resultado es la amplificación de la imagen.
Este tipo de telescopio es conocido como Galileano, por el astrónomo Galileo
Galilei quien fue el primero en utilizarlo para observar el cielo.
Fig. 15 Esquema Geométrico Telescopio Refractor
 Telescopio Reflector
Es un telescopio óptico que utiliza espejos en lugar de lentes para enfocar la
luz y formar imágenes. El espejo principal o primario es el objetivo. Por su forma
parabólica, refleja la luz concentrándola en un foco. El cono de luz es desviado
hacia el ocular por medio de un espejo secundario que es plano. Este telescopio
es conocido como Newtoneano por el matemático y físico Isaac Newton quien lo
diseñó y construyó por primera vez en 1669.
Fig. 16 Esquema Geométrico del Telescopio Reflector