La Óptica. Óptica Geométrica

Transcripción

1 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

2 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).

3 Albert Einstein ( ) 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 manera, 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

4 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

5 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

6 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

7 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.

8 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).

9 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

10 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

11 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)

12 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

13 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

14 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

15 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.

16 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 Fig. 16 Esquema Geométrico del Telescopio Reflector