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ÓPTICA
Ing. Eduardo Cruz Romero
OPTICA
• La
óptica es la rama de la Física que estudia la luz
y los fenómenos que produce,. La luz se propaga
por medio de ondas electromagnéticas en línea
recta a una velocidad aproximada de 300 mil
km/s en el vacío.
Para su estudio la óptica se puede dividir de la siguiente
manera:
 Óptica Geométrica: Estudia fenómenos y elementos
ópticos mediante el empleo de líneas rectas y
geometría plana.
 Óptica física: Estudia los fenómenos ópticos con
base en la teoría del carácter ondulatorio de la luz.
 Óptica Electromagnética: Trata los aspectos
cuánticos de la luz.
Comportamiento dual de la Luz (1/7)
Desde tiempos muy remotos, al hombre le ha
inquietado saber que es la luz y cual es la causa
por la que vemos las cosas. En la antigüedad solo
se interpretaba a la luz como lo opuesto a la
obscuridad, mas adelante los filósofos griegos se
percataron de la existencia de algo que relaciona
la distancia entre nuestros ojos, las cosas vistas y
la fuente que las iluminaba.
Comportamiento dual de la Luz (2/7)
Pitágoras señalaba en su teoría: la luz es algo que
emana de los cuerpos luminosos en todas
direcciones, choca contra los objetos y rebota de
ellos; cuando esta penetra en nuestros ojos, produce
la sensación de ver el objeto desde el cual reboto.
Epicuro de Samos, otro filosofo griego, señalaba: la
luz emitida por los cuerpos en forma de rayos, estos
al entrar al ojo estimulan el sentido de la vista.
Comportamiento dual de la Luz (3/7)
A finales del siglo XVII existían dos teorías que trataban
de explicar la naturaleza de la luz. Una era la teoría
corpuscular de Isaac Newton, quien señalaba: La luz esta
constituida por numerosos corpúsculos o partículas
emitidas por cualquier cuerpo luminoso, dichas partículas
al chocar con nuestra retina nos permiten ver las cosas al
recibir la sensación luminosa. La otra teoría era del
holandés Christian Huygens, quien opinaba: La luz es un
fenómeno ondulatorio semejante al sonido, por eso su
propagación es de la misma naturaleza que la de una
onda.
Comportamiento dual de la Luz (4/7)
• Las
dos teorías anteriores explicaban satisfactoriamente
las tres características de la luz descubiertas hasta
entonces:
1. Propagación rectilínea: es decir, la luz viaja en línea
recta.
2. Reflexión: cuando la luz incide en una superficie lisa, los
rayos luminosos son rechazados o reflejados en una sola
dirección.
3. Refracción: desviación que sufre la luz al llegar a la
superficie de separación entre dos sustancias de
diferente densidad.
Comportamiento dual de la Luz (5/7)
Sin embargo, en 1801 se descubrió que la luz también
presentaba el fenómeno de interferencia, producido al
superponerse en forma simultanea dos o mas movimientos
ondulatorios, el fenómeno de interferencia es prueba
contundente para comprobar si un movimiento es
ondulatorio o no, y en 1816 se encontró que la luz también
se difractaba (fenómeno característico de las ondas), es
decir, si una onda encuentra un obstáculo en su camino, lo
rodea o lo contornea, estos fenómenos permitieron la
aceptación de la Teoría de Huygens, pues la proposición de
Newton no podría explicar estos fenómenos.
Comportamiento dual de la Luz (6/7)
La pregunta obligada es: Si la luz es una onda, ¿A
que clase pertenece? Como las ondas necesitan
de un medio para transmitirse, los físicos
supusieron que este existía en un todo espacio e
incluso en el vacío y lo llamaron éter.
Comportamiento dual de la Luz (7/7)
En 1865 el físico escoces James Clerk Maxwell propuso
que la luz estaba formada por ondas electromagnéticas
como las de radio y radar, entre otras; esto permite su
propagación aun en el vacío, a una velocidad de 300 mil
km/s. ello ocasiono que en 1887 los físicos Michelson y
Morley demostraran mediante el interferómetro ideado
por Michelson, que no existía ningún éter envolviendo a
la tierra, y por tanto, no producían ningún arrastre sobre
los rayos luminosos, concluyeron que la velocidad de la
luz es constante, independientemente del movimiento de
la tierra.
Óptica Geométrica
• La
óptica geométrica se fundamenta en la teoría
de los rayos de luz, la cual considera que
cualquier objeto visible emite rayos rectos de luz
en cada punto de el, y en todas direcciones a su
alrededor. Cuando estos rayos inciden sobre
otros cuerpos pueden ser absorbidos, reflejados
o desviados, pero si penetran en el ojo
estimularan al sentido de la vista.
Propagación rectilínea de la Luz (1/2)
• La
luz se propaga en línea recta a una velocidad de 300
mil km/s en el vacío, una demostración experimental de
este principio es el hecho de que los cuerpos produzcan
sombras bien definidas.
Propagación rectilínea de la Luz (2/2)
Un cuerpo opaco es aquel que no permite el paso
de la luz a través de el, por tanto si recibe rayos
luminosos proyectara una sobre definida, un
cuerpo transparente permite el paso de los rayos
luminoso, por lo que se ve con claridad cualquier
objeto colocado al otro lado de el. Un cuerpo
translucido deja pasar la luz pero la difunde de tal
manera que las cosas pueden ser distinguidas
claramente a través de ellos.
La velocidad de la Luz (1/4)
• El
astrónomo danés Olaf Röemer (1647-1710) fue el
primero en calcular la velocidad de la luz en forma muy
aproximada, su método consistió en observar al planeta
Júpiter y a sus satélites, encontró que uno de ellos se
eclipsaba atrás de el cada 42.5 horas, pero cuando la
tierra estaba en su punto mas alejado de júpiter, el
eclipse se retrasaba 22 minutos, es decir; 1320
segundos.
La velocidad de la Luz (2/4)
Röemer concluyo que el retraso se debía al tiempo en el
cual la luz atravesaba la orbita terrestre que es de
3x108km/s, al dividir el diámetro de la orbita terrestre
entre el tiempo de retraso, encontró un valor de la
velocidad de la luz muy aproximado, equivalente a 227
272 km/s, sin embargo en esa época no le dieron crédito
a su determinación, pues otros científicos consideraban
este valor desproporcionado.
La velocidad de la Luz (3/4)
En 1907, el físico estadounidense de origen polaco
Alberto Michelson (1852-1931) obtuvo el premio novel
de Física por haber calculado con mucha exactitud la
velocidad de la luz. Su método consistió en disponer ocho
espejos planos para formar un prisma octagonal regular,
el cual reflejaba la luz y giraba a velocidad angulares muy
grandes, previamente determinadas, con esto michelson
determino que la velocidad de la luz era de 299 705.5
km/s, cantidad aproximada a los 300 mil km/s.
La velocidad de la Luz (4/4)
Para tener una idea del significado de la cifra
anterior, que es la velocidad máxima o velocidad
limite en el universo, basta considerar que un rayo
luminoso es capaz de darle siete vueltas y media a
la tierra en un segundo.
Reflexión de la Luz
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 en 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, ejemplos son el agua de una
alberca o un lago, o los espejos de cristal que pueden
ser planos o esféricos, un espejo común como los
utilizados en casa o en los automóviles,
constan de una pieza de cristal a la cual se le deposita
una capa delgada de plata en una de sus caras y para
proteger dicha capa se recubre con pintura, al rayo de
luz que llega al espejo se le nombre incidente y al
rayo rechazado por el se le llama reflejado. Existen
dos leyes de reflexión propuestas por descartes y son:
1. El rayo incidente, la normal y el espejo reflejado
se encuentra en un mismo plano.
2. El Angulo de reflexión es igual al alguno de
incidencia.
Refracción de Luz
La refracción de la luz consiste en la desviación que
sufren los rayos luminosos cuando llegan a la
superficie de separación entre dos sustancias o
medios de diferente densidad, si estos inciden
perpendicularmente a la superficie de separación de
las sustancias, no se refractan. La causa que origina la
refracción de la luz es el cambio en la velocidad de los
rayos luminosos al penetrar a un medio de diferente
densidad. Los rayos oblicuos que llegan a la superficie
de separación entre dos medios se llama incidentes y
los que se desvían al pasar por esta se les nombra
refractados.
Primera ley de la Refracción:
 El rayo incidente, la normal y el rayo refractado se
encuentran siempre en el mismo plano.
 Segunda ley: para cada par de sustancias
transparentes, la relación entre el seno del ángulo
de incidencias y el seno del ángulo de refracción,
tiene un valor constante que recibe el nombre de
índice de refracción n.
Índices de refracción:
Sustancia
Índice de refracción n
Aire
Agua
Alcohol
Vidrio
Diamante
1.003
1.33
1.36
1.5
2.42
Las Lentes y sus Características
Las lentes son cuerpos transparentes limitados
por dos superficies esféricas o por una esférica y
una plana, las lentes se emplean a fin de desviar
las rayos luminosos con base en las leyes de la
refracción, para su estudio se dividen en
convergentes y divergentes.
• Las
convergentes son aquellas cuyo espesor va
disminuyendo del centro hacia los bordes, razón
por la cual se centro es mas grueso que sus
orillas, tiene la propiedad de desviar los rayos
hacia el eje y y hacerlos converger en un punto
llamado foco.
• En
las lentes divergentes el espesor disminuye de
los bordes hacia el centro, por lo que los
extremos son mas gruesos y desvían los rayos
hacia el exterior, alejándolos del eje óptico de la
lente.
Las lentes convergentes se utilizan para obtener
imágenes reales de los objetos, tal es el caso de las
cámaras fotográficas o proyectores de cine; como
parte de los sistemas amplificadores de imágenes
ópticas en los microscopios, o bien, para corregir
defectos visuales de las personas hipermétropes en
cuyo caso el ojo, se caracteriza porque los rayos
paralelos al eje forma su foco detrás de la retina. Las
lentes divergentes se utilizan para corregir la miopía.
Las lentes convergentes, cualquier rayo luminosos
que pase en forma paralela a su eje principal, al
refractarse circulara por el foco principal, en las
lentes divergentes el rayo que pase en forma
paralela a su eje principal, al refractarse se separa
como si procediera de un foco.
El telescopio
El telescopio es un instrumento que permite observar
objetos distantes, amplificando la imagen generalmente a
través espejos cóncavos. La palabra telescopio, proviene
del griego. Tele significa lejos y, skopien, mirar.
Un telescopio puede ser considerado, como un aparato
que aumenta el tamaño angular de los objetos distantes y
asimismo, el brillo que estos emiten. Es por lo mismo,
que el telescopio es utilizado en la astronomía, para
poder ver los cuerpos celestes alejados de la tierra.
Asimismo, un telescopio recolecta y enfoca la radiación
electromagnética.
Un telescopio funciona por medio de uno o varios
espejos cóncavos o curvos, los cuales captan la luz de
los objetos lejanos o la radiación electromagnética.
Esta luz captada por el telescopio o la radiación, es
llevada a un foco, en el cual se crea la imagen
definitiva.
Es por medio de este sistema, que la imagen puede
ser observada por los astrónomos, como asimismo,
fotografiada para investigaciones futuras.
Referencias Bibliográficas
•
Física General – Héctor Pérez Montiel. Publicaciones Culturales.