TEMA 11 Optica. Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente. Ondas luminosas. La luz y todas las demás ondas electromagnéticas son ondas transversales

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1 Bases Físicas y Químicas del Medio Ambiente Ondas luminosas TEMA 11 Optica La luz y todas las demás ondas electromagnéticas son ondas transversales La propiedad perturbada es el valor del campo eléctrico y magnético en dirección perpendicular a la de propagación La luz es el tipo de radiación electromagnética que somos capaces de ver campo eléctrico Leyes de la reflexión Representamos las ondas mediante flechas en la dirección de propagación campo magnético = Frecuencias visibles por el ojo THz Longitudes de onda visibles nm violeta rojo Suele entonces hablarse de rayos luminosos Leyes de la reflexión Leyes de la reflexión rayo incidente normal γ rayo reflejado El rayo incidente, la normal en el punto de incidencia y el rayo reflejado están en el mismo plano ángulo de incidencia ángulo de reflexión El ángulo de incidencia es el mismo que el de reflexión ( = γ ) 1

2 Leyes de la refracción Leyes de la refracción rayo incidente ángulo de incidencia El rayo incidente, la normal en el punto de incidencia y el rayo refractado están en el mismo plano ángulo de refracción γ rayo refractado Los ángulos de incidencia y de refracción vienen dados por c 2 sen = c 1 sen γ Ley de Snell sen / sen γ = c 1 / c 2 c 1 velocidad en el (incidente) c 2 velocidad en el (refracción) Indice de refracción sen / sen γ = c 1 / c 2 = n 2 / n 1 Cuando mayor sea la velocidad de la onda incidente con respecto a la reflejada o mayor el índice de refracción del segundo medio, menor es el ángulo de refracción y viceversa n = c vacio c medio n 1 sen = n 2 sen γ Si n 2 > n 1 se dice que el es más refringente que el 1 Leyes de la refracción γ no puede ser mayor de 90 o. A partir de ahí no hay refracción Reflexión interna total γ γ γ límite El ángulo de incidencia máximo es sen = c 1 / c 2 = n 2 / n 1 c 1 > c 2 c 1 < c 2 c 1 < c 2 2

3 El fenómeno de la reflexión interna total es el fundamento de los cables de fibra óptica El índice de refracción de un material depende de la longitud de onda de la radiación incidente Cuando la luz blanca (combinación de todas las longitudes de onda luminosas) se refracta a través de un prisma, se separa en colores Una vez que entra la luz no puede salir luz blanca rojo violeta Un espejo es una superficie de separación de dos medios en la que predomina la reflexión d d luz En un espejo la luz parece venir de un punto que es la prolongación del rayo reflejado y que está a una distancia d de la fuente de luz Una lente es una pieza de material transparente que puede enfocar un haz de luz transmitido de forma que se produzca una imagen FOCO En el eje de la lente los eje rayos no se desvían FOCO Lente convergente Forma una imagen real en el foco Lente divergente Características de las lentes radio de curvatura R Forma una imagen virtual en el foco En una lente divergente f es negativa distancia focal f 3

4 Ecuación del constructor de lentes P = 1 / f = (n - 1) (1 / R 1 + 1/ R 2 ) Las potencias de las lentes se suman dos lentes de dos dioptrías superpuestas equivalen a una sola lente de cuatro dioptrías potencia de la lente cociente entre los índices de refracción de la lente y el aire radios de curvatura de las dos superficies La potencia de las lentes se mide en dioptrías Los diferentes colores del espectro tienen índices de refracción diferentes sus distancias focales son levemente distintas las imágenes salen levemente desenfocadas. Este fenómeno es la ABERRACIÓN CROMÁTICA El aumento M de una lente es el cociente M = 0.25 / f 0.25 es la mínima distancia expresada en metros desde el objeto al ojo para que se forme una imagen nítida Las lupas tienen entre 2 y 3 aumentos. Son lentes convergentes Fenómenos de difracción Se producen cuando la luz choca con un obstáculo de dimensiones similares a su longitud de onda El obstáculo se convierte entonces en fuente de ondas luminosas El obstáculo puede ser una rendija O una fila de átomos fuente luminosa rendija Si los átomos están regularmente dispuestos las ondas luminosas difractadas interferirán unas con otras de una manera característica del orden atómico 4

5 El fenómeno de difracción atómica solo se produce cuando la longitud de onda es del orden del tamaño atómico Cuando los obstáculos son planos de átomos situados a una distancia d unos de otros tenemos que solo vemos ciertos rayos difractados. Los otros desaparecen por interferencias destructivas La radiación electromagnética adecuada son los rayos X. Su λ es del orden de Å rayos incidentes α rayos difractados d rayos incidentes α Los rayos difractados cumplen rayos difractados d Naturaleza dual de la luz Hasta ahora hemos supuesto que la luz se comportaba como una onda. Esto permite explicar los fenómenos de interferencia, reflexión y refracción 2 d sen α = m λ Ley de Bragg λ es l a longitud de onda de la radiación m es un número entero Sin embargo algunas particularidades de la luz no se pueden explicar así A veces la luz aparenta comportarse como una proyección de pequeños corpúsculos Ejemplo: Efecto fotoeléctrico luz electrón metal Experimentalmente se observa que el electrón solo se libera de la superficie del metal cuando la luz incidente es de frecuencia superior a una frecuencia umbral. Por debajo de esa frecuencia el electrón no se libera por muy intensa que sea la luz Esto condujo a proponer que la luz se compone de pequeños paquetes cuya energía depende de la frecuencia de la luz FOTONES 5

6 Ejemplo: Efecto Compton Choque de un electrón y un fotón con conservación de la energía cinética y el momento como si se trataran de dos partículas fotón electrón Dualidad onda-corpúsculo Cuando la luz se propaga actúa como una onda En los procesos de absorción o interacción con la materia se comporta como un corpúsculo antes después Elementos del ojo humano córnea pupila humor acuoso iris cristalino humor vítreo músculos ciliares retina nervio óptico La luz que incide en la retina se transforma en impulsos eléctricos en los conos y los bastones Cuando los músculos ciliares están relajados el ojo enfoca de lejos. Cuando están contraídos enfoca de cerca El poder de acomodación es la variación de potencia del ojo al enfocar. Es de unas 4 dioptrías en personas jóvenes En la miopía la persona enfoca una imagen delante de la retina. No ve bien de lejos. Se corrige con lentes divergentes En la hipermetropía la luz de un objeto cercano se enfoca detrás de la retina. No se ve bien de cerca. Se corrige con lentes convergentes F F 6

7 El astigmatismo se debe a que la córnea no es esférica. Se corrige con lentes especiales La vista cansada se produce por un debilitamiento de los músculos ciliares y disminución de flexibilidad del cristalino. Se corrige con lentes convergentes Microscopio Consta de dos sistemas de lentes convergentes que producen en conjunto un un aumento que es el producto de sus aumentos individuales muestra ocular objetivo La calidad del objetivo viene dada por su apertura numérica 2 u objetivo 2 u objetivo A = n sen u muestra n es el índice de refracción entre el medio que separa la muestra del objetivo y u es el máximo ángulo que abarca el objetivo muestra La mínima separación d que puede resolverse por medio de un microscopio es d = λ / 2 A Telescopio En general, tienen como objetivo un espejo cóncavo, esférico o parabólico en lugar de una lente Esto le permite recoger más eficientemente la luz de objetos lejanos y dar más aumento porque los espejos pueden fabricarse más grandes que una lente La cámara fotográfica La lente viene especificada por su diámetro y su distancia focal lente convergente obturador película 7

8 La cámara fotográfica El diámetro de una lente se expresa en función de la distancia focal. p.ej. d = f / 8 Cuando el diámetro se reduce para obtener una mayor profundidad de campo el tiempo de exposición ha de ser mayor para obtener una fotografía de la misma calidad 8

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