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UNIDAD 3: ÓPTICA
ÍNDICE UNIDAD III.- ÓPTICA
3.1 Óptica Geométrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... 3 3.1.1 Concepto de Luz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..4 3.1.2 Velocidad de la luz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 5 3.1.3 Reflexión y Refracción. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . …… 7 3.1.4 Fibra Óptica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 3.1.5 Espejos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1.6 Lentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………………… 14 3.1.7 El telescopio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 3.2 Estudio y aplicaciones de emisión laser. . . . . . . . . . . . 18
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INTRODUCCIÓN Si hacemos un razonamiento simple sobre la naturaleza de la luz, fácilmente deducimos que la luz es algo que sale del Sol, inunda nuestro medio y, con la ayuda de nuestros ojos, nos permite ver. Estudiar este "algo" intangible fue un reto para los que se acercaban al conocimiento de la naturaleza. ¿Cómo hacerlo? ¿Analizando el ojo? ¿Tratando de separar la luz en partes y manipulándola? ¿Haciéndola chocar con los objetos? ¿Mirando qué le pasa cuando atraviesa algunos cuerpos que no la hacen desaparecer? Este fue el camino que dio lugar al nacimiento de una rama de la óptica, la Óptica Geométrica, en la que todas las deducciones se hacen basándose en razonamientos geométricos y no es necesario suponer nada sobre la naturaleza de la luz. Está claro que la luz viene del Sol y también de una llama, pero ¿qué le ocurre a la materia ardiente para que emita luz? Hoy sabemos que la luz se origina en los átomos debido a la caída de los electrones a zonas más cercanas al núcleo. A este tránsito le acompaña una emisión de radiación. La luz visible es una parte de esta radiación. El estudio de la luz empezó aislando una parte de ella en haces más o menos finos y de esta manera se llegó al concepto de rayo. Desmenuzar la luz en partes, estudiar su marcha y el proceso de formación de imágenes, fue un gran logro y en él participaron grandes científicos como Newton, Descartes, Young. Los científicos empezaron por observar la acción de los espejos sobre la luz y estudiando cómo y dónde se formaban las imágenes dadas por ellos. Estudiaron también lentes y dedujeron las leyes que rigen la formación de sus imágenes. Todo esto es lo que estudia la Óptica Geométrica. Al aumentar el conocimiento cono cimiento de la naturaleza de la materia se descubrieron partes conceptuales más profundas de la naturaleza de la luz y surgieron otras partes de la óptica como la Óptica, Óptica Cuántica.
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3.1 ÓPTICA GEOMÉTRICA La óptica geométrica parte de las leyes fenomenológicas de Snell de la reflexión y la refracción. A partir de ellas, basta hacer geometría con los rayos luminosos para la obtención de las fórmulas que corresponden a los espejos, dioptrio y lentes, obteniendo así las leyes que gobiernan los instrumentos ópticos a los que estamos acostumbrados.
La óptica geométrica usa la noción del rayo luminoso; es una aproximación del comportamiento que corresponde a las ondas electromagnéticas (la luz) 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, cuando estos rayos inciden sobre otros cuerpos pueden ser absorbidos, reflejados o desviados, pero si penetran en el ojo estimulan el sentido de la VISTA.
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3.1.1 La Luz Se llama luz (del latín lux, lucis) a la parte de la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano. En física, el termino luz se usa en un sentido más amplio e incluye todo el campo de la radiación conocido como espectro electromagnético, mientras que la luz visible señala específicamente la radiación del espectro visible.
La luz se propaga en línea recta en un medio homogéneo. La hipótesis de la propagación de la luz explica varios fenómenos entre los que se puede resaltar: Cuando un rayo de luz penetra en una habitación que está llena de humo, puede observarse que el rayo de luz tiene borde definido, que es una línea recta.
El estudio de la luz revela como una serie de características y efectos al interactuar con la materia, que permite desarrollar algunas teorías sobre su naturaleza. FÍSICA
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3.1.2 VELOCIDAD DE LA LUZ La velocidad con la que se propaga la luz a través de un medio homogéneo y transparente es una constante característica de dicho medio, y por tanto, cambia de un medio a otro.
En la antigüedad se pensaba que valor era infinito, lo que explicaba propagación instantánea. Debido a enorme magnitud la medida de
su su su la
velocidad de la luz “C” ha requerido la
invención de procedimientos ingeniosos que superarán el inconveniente que suponen las cortas distancias terrestres en relación con tan extraordinaria rapidez. Donde 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= 300,00 Km/h. En cualquier medio material transparente la luz se propaga con una velocidad que es siempre inferior a C.
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En óptica se suele comparar la velocidad de la luz en un medio transparente con la velocidad de la luz en el medio, mediante el llamado índice de refracción absoluto “N” del medio: Se define como el cociente entre la velocidad “C” de la luz en el vacío y la velocidad en el medio, es decir:
N= C/V
Dado que “C” siempre es mayor que “V”, “N” resulta siempre mayor que la unidad. Conforme se deduce de la propia definición “ Cuanto mayor sea el índice de refracción absoluto de una sustancia tanto más lentamente viajará la luz por su interior”.
Si lo que se pretende es comparar las velocidades V 1 y V2 de dos medios diferentes se define entonces el índice de refracción relativo del medio. Un espectro de dos como coeficiente entre ambas:
N1,2 = N1 / N2 N1,2 = (C/V1)(C/V2)
N1,2 = N2 / N1
Un índice de refracción relativo N 1,2 menor que 1 indica que en el segundo medio de la luz se mueve más rápidamente que en el primero.
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3.1.3 REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN REFLEXIÓN
La reflexión es el cambio de dirección de un rayo o una onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial. Ejemplos comunes son la reflexión de la luz, el sonido y las ondas del agua.
Reflexión de la luz y sus leyes
Es el cambio de dirección en el mismo medio, que experimenta un rayo luminoso al incidir oblicuamente sobre una superficie.
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Para este caso las leyes de la reflexión son las siguientes:
1ra. Ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal, se encuentran en un mismo plano.
2da. Ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
Sin embargo, en superficies ópticamente lisas, debido a interferencias destructivas, la mayor parte de la radiación se pierde, excepto la que se propaga con el mismo ángulo de indicio. Ejemplos simples de este efecto son los espejos, los metales pulidos o el agua de un río. La luz también se refleja por medio del fenómeno determinado reflexión interna local, que se produce cuando un rayo de luz, intenta salir de un medio en que su velocidad es más lenta a otro más rápido con un determinado ángulo.
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REFRACCIÓN 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 medios y si estos tienen de refracción distintos.
La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda. Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado.
También se produce refracción cuando la luz atraviesa capa de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción.
Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción total. Aunque el fenómeno de la refracción se observa frecuentemente en ondas electromagnéticas como la luz, el concepto es aplicable a cualquier tipo de onda.
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DISPERCIÓN REFRACTIVA Como la refracción depende de la energía de la luz, cuando se hace pasar la luz o poli cromática a través de un medio no paralelo, como un prisma, se produce la separación de la luz en sus diferentes componentes (colores) según su energía, en un fenómeno denominado dispersión refractiva. Si el medio es paralelo, a la luz se vuelve se recompone al salir de él.
Una de las propiedades de la luz más evidentes a simple vista es que se propaga en línea recta. Lo podemos ver en la propagación de un rayo de la luz a través de ambientes polvorientos o de atmosferas saturadas.
La óptica geométrica parte de esta premisa para predecir la posición de la luz, en un determinado momento, a lo largo de su transmisión.
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3.1.4 FIBRA ÓPTICA Una fibra óptica es compuesta básicamente de material dieléctico (sílice) según una larga estructura cilíndrica, transparente y flexible, de dimensiones microscópicas, comparables a las de un cabello humano.
La estructura cilíndrica básica de la fibra óptica es formada por una región central llamada núcleo, envuelta por una capa, también de material dieléctico que se llama chaqueta.
La composición de la chaqueta de la fibra óptica, con material de índice de refracción ligeramente inferior al del núcleo, ofrece condiciones para la propagación de energía luminosa a través del núcleo de la fibra de un proceso de reflexión interna total.
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3.1.5 ESPEJOS Un espejo es una superficie pulida en la que al incidir la luz; se refleja siguiendo las leyes de la reflexión. El ejemplo más sencillo es el del espejo plano. En este último, un haz de rayos de luz paralelos puede cambiar de dirección completamente en conjunto y continuar siendo un haz de rayos paralelos, pudiendo producir así una imagen virtual de un objeto con el mismo tamaño y forma que el real. La imagen resulta derecha pero invertida en el eje normal al espejo.
ESPEJO PLANO
Un espejo plano es una superficie plana muy pulimentada que puede reflejar la luz que le llega con una capacidad reflectora de la intensidad de la luz incidente del 95% (O superior). Los espejos planos se utilizan con mucha frecuencia. Son los que usamos cada mañana para mirarnos. En ellos podemos ver una imagen que no está distanciada nuestro reflejo.
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ESPEJOS CÓNCAVO Y CONVEXO CÓNCAVO Se refiere a un espejo esférico cóncavo. Los espejos cóncavos hacen converger los rayos luminosos paralelos. Se usan en los fotos de los vehículos. Al colocar una ampolleta en el foco, los rayos salen paralelos. Se pueden producir imágenes reales y virtuales, dependiendo de la ubicación del objeto. Una imagen real se forma por intersección real de los rayos reflejados y una imagen virtual de forma de la intersección de las proyecciones de los rayos reflejados.
CONVEXO Los espejos convexos hacen divergir los rayos luminoso paralelos. Se pueden usar en supermercados y bancos como una manera de tener una vista de amplio espectro. Un espejo convexo solo forma imágenes virtuales.
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3.1.6 LENTES Las lentes tienen importantes aplicaciones. Se usan para corregir los efectos de la visión en el hombre, para construir lupas y binoculares, objetivos de cámaras fotográficas, etc. Son medios transparentes, limitados generalmente por dos superficies curvas o bien por una superficie plana y otra curva. Al decir sobre un lente, un rayo luminoso sufre dos refracciones sucesivas al atravesar las dos caras. Hay diferentes clases de lentes, según la forma de las superficies curvas que la limitan. Las más importantes son las lentes esféricas delgadas. Se pueden clasificar en convergentes y divergentes. Las primeras se llaman así porque tienden a unir (converger) los rayos que las atraviesan, mientras que las segunda tienden a separarlos (divergir).
TIPOS DE LENTES
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EFECTO DE LAS LENTES Para estudiar el efecto refractante de la lente sobre los rayos de luz, considerados una sección plana central de la misma conformada por pequeños prismas, de los que conocemos sus propiedades ópticas. Por ejemplo: Sabemos que los prismas desvían los rayos incidentes sobre una de las caras hacia la base del triangulo, por lo tanto podemos deducir que las lentes que tienen la parte central más gruesa que la periférica desvían los rayos que inciden sobre una de las caras hacia dentro. Así mismo las lentes con los bordes más gruesos que el centro serán divergentes, ya que los prismas elementales están colocados al revés que en el caso anterior.
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3.1.7 EL TELESCOPIO El inglés Robert Gosseteste tuvo la idea de que se pudieran acercar los objetos distantes mediante un cuerpo transparente y la plasmo en un tratado sobre el arcoíris. Sin en cambio hasta que Galileo Galilei medito sobre ello y tuvo la satisfacción de poder construir en poco tiempo un anteojo que aumente tres veces el tamaño del objeto. Mostro el primer telescopio e hizo varios descubrimientos para la astrología.
El telescopio es un instrumento que permite observar objetos distantes, ampliando la imagen generalmente a través de espejos cóncavos.
La palabra telescopio proviene del griego tele= lejos y skopien= mirar. Un Telescopio puede ser considerado, como un aparato que aumenta el tamaño angular de los objetos distantes y así mismos, el brillo que estos emiten. Por lo mismo, que el telescopio es utilizado en la astronomía, para poder ver los cuerpos celestes alejados de la tierra.
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.
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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 así mismo, fotografiada para investigaciones futuras.
Las partes de un telescopio son:
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Lente /espejo objetivo Salida ocular Perillas movimiento fino Contrapeso Soporte / tripie Buscador Tubo Montura
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3.2 ESTUDIO Y APLICACIONES DE EMISIÓN LÁSER El láser es una de las aplicaciones más útiles que se apoyan en la física cuántica y en el estudio del átomo. La luz intensa, enfocada con mucha precisión y de naturaleza coherente, que emiten estos dispositivos es el punto de partida de muchos avances científicos.
En Medicina los oftalmólogos debidamente capacitados pueden fijar la retina del ojo por medio de puntos de soldadura aplicados con un instrumento láser.
La combinación de luz láser con las fibras ópticas están engendrando una revolución en el ámbito de la electrónica y las comunicaciones.
Se han creado poderosos láser para hacer pequeñas perforaciones en diamantes.
La emisión estimulada proporciona la clave del funcionamiento y la eficacia de los rayos láser. Como los rayos láser son de una naturaleza coherente e intensa, se utiliza para medir distancias como la tierra a la luna.
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Se utiliza también en intervenciones quirúrgicas de la piel, hígado, corazón por medio de un bisturí eléctrico.
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El rayo láser también tiene aplicación en el funcionamiento de aparatos electrónicos como: Reproductores de música, dvd, etc.
Además los rayos láser pueden provenir de materiales sólidos como rubíes, cristales, gases como help-neon y argón y líquidos como ácido clorhídrico.
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CONCLUSIÓN
La óptica se ocupa del estudio de la luz, de sus características y de sus manifestaciones. La reflexión y la refracción por un lado, y las interferencias y la difracción por otro, son algunos, de los fenómenos ópticos fundamentales. Los primeros pueden estudiarse siguiendo la marcha de los rayos luminosos. Los segundos se interpretan recurriendo a la descripción en forma de onda. El conocimiento de las leyes de la óptica permite comprender cómo y por qué se forman esas imágenes, que constituyen para el hombre la representación más valiosa de su mundo exterior, así como vemos que la esta parte de la física no se puede ignorar en nuestras vidas diarias ya que interactuamos mucho con la óptica por sus diversas utilidades y sus diversos estudios.
BIBLIOGRAFÍA Libro: Óptica HECHTZAJAC (Addison Wesley Longman) http://www.buenastareas.com/materias/lentes-y-efecto-%C3%B3ptico/0 http://fisicaoptica11.blogspot.mx/2010/11/espejos.html http://www.monografias.com/trabajos16/fibras-opticas/fibras-opticas.shtml
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