9. PROBLEMAS RESUELTOS.

Transcripción

1 III PROBLEMAS RESUELTOS.. Calcular la posición de la imagen dada por un dioptrio plano conocida la posición del objeto, cuando se trabaja fuera de la aproximación paraxial. Los rayos paraxiales que parten de un punto objeto O con ángulos de incidencia g pequeños, convergen todos ellos en un sólo punto imagen. Los rayos no paraxiales, con ángulos de incidencia grandes, no convergen en un sólo punto imagen. En consecuencia, la posición de la imagen O' depende del ángulo de incidencia g: s' = f(g). Se trata de encontrar la forma de esta función. En el triángulo OAB: tg g = a/s Y a = s.tg g y en el O'AB: tg g' = a/s' Y a = s'.tg g' por lo que: s.tg g = s'.tg g' Y s' = s.tg g/tg g' () Por otra parte, teniendo en cuenta que: tg g ' sen g cos g y tg g ) ' sen g) cos g ) ' sen g ) & sen 2 g ) al sustituir en esta última expresión el valor de sen g' dado por la ley de Snell, queda: tg g ) ' (n /n 2 ).sen g & (n /n 2 ) 2.sen 2 g ' n.sen g n 2 2 & n 2.sen 2 g y sustituyendo en () tg g y tg g' por su valor y operando, queda: s ) ' s. n 2 2 & n 2.sen 2 g n.cos g (2) expresión que permite calcular la posición de la imagen formada por un dioptrio plano cuando se trabaja fuera de la zona paraxial. Nota: De esta expresión se puede deducir la posición de la imagen paraxial teniendo en cuenta que, en este caso, por ser los ángulos pequeñoses: sen g Y 0 y cos g Y con lo que la expresión (2) queda: s = s n n 2

2 III Un cubo de vidrio de índice,5 tiene un espacio hueco en su interior en forma de esfera con el mismo centro que el cubo. La arista del cubo mide 0 cm y el radio de la esfera hueca es de 3 cm. Un haz de rayos paralelos entre sí incide perpendicularmente a una de las caras del cubo. Hallar en qué punto del eje se cortarán los rayos. Hallar las focales imagen de las distintas superficies. Se supone el cubo inmerso en aire (n = ) que llena también el espacio hueco. Para la primera superficie (plana) todo sucede como si los rayos paralelos al eje procedieran de un objeto situado en el infinito y según la expresión n/s = n'/s', si s = 4, también es s' = 4. En consecuencia, la primera superficie forma una primera imagen en el infinito. Por incidir normalmente a ella, los rayos no sufren desviación en la primera superficie (plana) y alcanzan a la segunda superficie (esférica convexa) paralelos al eje y, después de refractarse, van a converger en su foco imagen F' 2 dando lugar a la segunda imagen O' 2, cuya posición es: n r = =.( + 3) f = 6cm n n ( 5, ) f = V F = V O = 6cm La imagen O' 2 actúa como objeto para la tercera superficie (esférica cóncava) ya que todo sucede como si los rayos llegaran a ella procedentes de O' 2. La posición de la imagen O' 3 que forma esta tercera superficie la calculamos mediante la fórmula de Gauss: n s n = n n s r siendo, en este caso n = y n' =,5 ya que la luz, en esta tercera superficie, pasa del aire al vidrio, y: r = - 3 cm ; s = V 3 O' 2 = V 3 V 2 + V 2 O' 2 = (- 6) + (- 6) = - 2 cm con lo que al sustituir queda: 5, 5, = s 2 3 s = cm = V O resultado del que se deduce que la imagen O' 3 formada por la tercera superficie está situada en V 2. Por último, en la cuarta superficie (plana), los rayos van a sufrir una refracción en la que todo sucede como si procediesen de un punto objeto situado en O' 3 o, lo que es lo mismo según el resultado anterior, en V 2. Para calcular la posición de la imagen final O' 4, aplicamos la expresión: n s n = s siendo: n =,5 ; n' = ; s = V 4 O' 3 = V 4 V 3 + V 3 O' 3 = (-2) + (-6) = - 8 cm y al sustituir: s = n s =. 8 = 5, 33cm = V4O4 n 5, resultado del que se deduce que la imagen final y, por tanto, el punto de corte de los rayos está situada a 5,33 cm a la izquierda de V 4, es decir, a 0,33 cm a la izquierda del centro de la esfera.

3 III Los extremos de un cilindro de vidrio de n =,6 se tallan según superficies esféricas convexa y cóncava de radios 2,4 cm. A 8 cm del primer vértice se coloca un objeto de 2 cm. La separación entre vértices es de 2,8 cm. Calcular: a) las distancias focales y las potencias de ambas superficies. b) la distancia de la imagen final de la primera y segunda superficie. c) el tamaño de la imagen final. d) resolverlo gráficamente. n = n 3 = ; n 2 =,6 r = + 2,4 cm = r 2 s = VO = - 8 cm VV' = 2,8 cm y = 2 cm a. Cálculo de las focales y potencias. f = - n.r/(n'-n) ; f' = n'.r/(n'-n) ; P = n'/f' a.. Primera superficie: f = -n.r /(n 2 -n ) = -2,4/(,6-) = - 4 cm f' = n 2.r /(n 2 -n ) = (,6)(2,4)/(,6-) = + 6,4 cm = + 0,064 m P = n 2 /f' =,6/0,064 = 25 dt. a.2. Segunda superficie: f 2 = -n 2.r 2 /(n 3 -n 2 ) = - (,6)(2,4)/(-,6) = + 6,4 cm f 2 = n 3.r 2 /(n 3 -n 2 ) = 2,4/(-,6) = - 4 cm = - 0,04 m P 2 = n 3 /f 2 = /-0,04 = - 25 dt b. Cálculo de la posición de la imagen. La primera superficie va a formar una primera imagen situada en un punto O' cuya posición no conocemos, de momento. Esta imagen O' hace de objeto para la segunda superficie que forma de ella la imagen final O" (ver figura). b.. Primera imagen. Aplicando la expresión f '/s' + f/s = : 6,4/s' + (-4)/(-8) = Y s' = VO' = + 2,8 cm b.2. Segunda imagen (final). Cualesquiera que sea la posición de la imagen O', su posición respecto de esta segunda superficie, para la cual hace de objeto, es: VO' + O'V' = VV' Y s' + (-s 2 ) = VV' Y s 2 = s' - VV' = 2,8-2,8 = + 0 cm = V'O' y al sustituir este valor en la expresión f '/s' + f/s = : f 2/s 2 + f 2 /s 2 = Y -4/s 2 + 6,4/0 = Y s 2 = -, cm = V'O" resultado del que se deduce que la imagen final está situada a, cm a la izquierda de V' o, lo que es lo mismo, a 8,3 cm a la izquierda de V.

4 III - 35 c. Cálculo del tamaño de la imagen. El aumento en un sistema formado por varios elementos es el producto de los aumentos de cada elemento y como el aumento en una superficie esférica es β = n.s'/n'.s, al sustituir queda: β ) ' β ).β ) 2 ' n.s ). n.s ) 2 2 n 2.s n 3.s 2 ' 2,8,6.(&8). (,6).(&,) 0 ' %,778 β ) ' %,778 ' y)) y ' y)) 2 Y y )) ',778.(2) ' 3,55 cm resultado del que se deduce que la imagen es virtual, mayor y derecha respecto del objeto. d. Resolución gráfica. Para poder realizar la construcción gráfica, en la figura se ha representado a cada una de las superficies mediante los planos S y S 2, tangentes en sus vértices (planos principales), lo cual es válido a nivel paraxial, dominio en el que se centra este curso de Optica Geométrica. El rayo -<- paralelo al eje se refracta en la primera superficie en dirección a su foco imagen F', pero al incidir sobre la segunda superficie se desconoce, a priori, la dirección que va a tomar. Para poder trazar este rayo refractado es preciso recurrir a un rayo auxiliar -<<<- (R.A.) que, siendo paralelo al -<-, incide sobre la segunda superficie en dirección a su foco objeto F 2. Ambos rayos (sus prolongaciones en este caso) se han de cortar en un punto P del plano focal imagen (F' 2 ) de la segunda superficie, lo que permite el trazado del rayo -<- refractado en ella. El rayo -<<- incide sobre la primera superficie en dirección a F y emerge de ella incidiendo sobre la segunda paralelo al eje, razón por la que abandona la segunda superficie en dirección a su foco imagen F 2. En el punto donde se cortan las prolongaciones de -<- y -<<- se localiza la imagen, que es virtual. NOTA: de los resultados analítico y gráfico se deduce que la imagen final y" está situada a la izquierda del cilindro. Sin embargo, en la figura de la página anterior se ha supuesto otra posición (O") porque, lógicamente, antes de resolver el problema no se conoce su verdadera posición.

5 III Se dispone de un recipiente cilíndrico de índice n =,5 y longitud 2 cm, que en su parte central está tallado, tal como muestra la figura, en forma de lente hueca de radios de idéntica longitud (2 cm). Si el espesor de dicha lente es de cm, calcular: a) La posición de la imagen de un punto luminoso situado en el interior del cilindro sobre el eje óptico de la lente y a 5 cm a la izquierda de la primera superficie de la lente. b) Si el punto luminoso tiene un diámetro de 0,5 cm, cuál es el tamaño de la imagen final?. Resolveremos el problema superficie a superficie, es decir, calcularemos posición y tamaño de la imagen O' que forma la primera superficie con vértice V. Esta imagen O' será objeto para la segunda superficie con vértice V 2, que formará una segunda imagen O' 2. Finalmente, esta imagen O' 2 actuará como objeto para la superficie plana con vértice V 3, la cual formará la imagen final O' 3. a. Imagen formada por la primera superficie (esférica). a.. Posición de la imagen. En la fórmula de Gauss: n s n = n n s r en la que, en este caso es: n =,5 ; n'= y s = s = VO = -5 cm ; r = r = +2 cm al sustituir queda: a.2. Aumento y tamaño: s = s' = VO' = -,82 cm ns 5,.( 82, ) y = = = + 0, 55 = n s 5 y β y = 0, 55. y = 0, 55.( 0, 5) = + 0, 27cm

6 III - 37 b. Imagen formada por la segunda superficie (esférica). b.. Posición de la imagen: n = ; n'=,5 ; r = r 2 = - 2 cm s = s 2 = V 2 O' = V 2 V + V O' = - + (-,82) = - 2,82 cm con lo que al sustituir en la fórmula de Gauss queda: s'= s' 2 = -2,48 cm = V 2 O' 2 b.2. Aumento y tamaño: ns2 β 2 = n s 2 2, 48 y2 = = + = y2 0, 586 = 5,.( 2, 82) y y 2 y = 0, 586. y = 0, 586.( 0, 27) = + 0, 58cm 2 c. Imagen formada por la tercera superficie (plana). c.. Posición de la imagen: En un dioptrio plano: y en este caso (para la 3ª superficie, plana): n/s = n'/s' n =,5 ; n'= s = s 3 = V 3 O' 2 = V 3 V 2 + V 2 O' 2 = (-5,5) + (-2,48) = - 7,98 cm y al sustituir: s'= s' 3 = V 3 O' 3 = - 5,32 cm resultado del que se deduce que la imagen final está a 5,32 cm a la izquierda de V 3. c.2. Aumento y tamaño de la imagen final: El aumento en una superficie plana es +, por lo que la imagen final tiene el mismo tamaño que y' 2 : y' 3 = y' 2 = + 0,58 cm

7 III Sea una piscina de 4 m de profundidad de fondo transparente. Un observador A, situado 3 m por encima y otro B, situado m por debajo, están mirando a un pez situado a m de la superficie. Suponemos que ambos observadores están mirando en dirección prácticamente normal a la superficie. A qué distancia ven A y B al pez? Y el pez a los observadores? a. Pulpo visto por los observadores A y B. a.. Distancia aparente entre el observador A y el pez: El observador A ve la imagen del pez en P' A aunque realmente el pez está en P. La distancia aparente, es decir, la distancia a la que al observador A le parece que está el pez es: AP' A = a + s' A = a + (s A.n aire /n agua ) AP' A = 3 + (/,33) = 3,75 m a.2. Distancia aparente entre el observador B y el pez. El observador B ve la imagen del pez P en P' B. La distancia aparente ahora es: BP' B = b + s' B = b + (s B.n aire /n agua ) BP' B = + (3/,33) = 3,25 m b. Observadores vistos por el pez. b.. Distancia aparente entre el pez y el observador A. El pez ve la imagen del observador A en A'. La distancia aparente es: PA' = a + s' A = a + (s A.n agua /n aire ) PA' = + 3.(,33) = 5 m b.2. Distancia aparente entre el pez y el observador B. El pez ve la imagen del observador B en B'. La distancia aparente es: PB' = b + s' B = b + (s B.n agua /n aire ) PB' = 3 +,33 = 4,33 m

8 III Una gota de rocío, de forma esférica y centro C, apoya en un punto A sobre un plano horizontal. Se la observa con un microscopio cuyo eje óptico coincide con la dirección AC, enfocado en A a través de la gota. Se retira la gota y se enfoca ahora el microscopio sobre el punto A. Si el índice de refracción del agua es n =,33 y el desplazamiento efectuado por el microscopio para realizar el segundo enfoque es de,5 mm, calcular el radio de la gota. Para una mejor comprensión de la aplicación del convenio de signos, se ha dibujado el plano P en el que se apoya la gota en posición vertical. El observador que mira a través del microscopio, al enfocar éste sobre el punto A a través de la gota, lo que ve realmente es la imagen A formada por la superficie esférica de vértice B. Al retirar la gota y enfocar de nuevo el microscopio, éste se ha de desplazar, hacia la derecha, una distancia igual a la existente entre A' y A siendo, según el enunciado, A'A =,5 mm. La posición de la imagen A' viene dada por la fórmula de Gauss: en la que: n =,33 ; n' = De la figura se deduce que: n'/s' - n/s = (n'- n)/r () s = BA = 2r ; s' = BA' A'A + AB = A'B Y,5 + (-s) = - s' Y s' = s -,5 = 2r -,5 y sustituyendo en () los valores de n, n', s y s' queda: 2.r &,5 &,33 2.r ' ( &,33) r r ' &,5 mm En esta solución, el signo negativo del radio es debido a que es el resultado de la aplicación de la fórmula de Gauss a la superficie esférica de vértice B cuyo radio, que es el de la gota, es el segmento orientado BC, negativo según el convenio de signos. En consecuencia el radio de la gota de rocío es: r =,5 mm

9 III Dadas dos lentes convergentes de la misma focal y separadas por su distancia focal, hallar gráficamente la imagen de un objeto situado en el foco objeto de la primera lente. Qué aumento tiene la imagen? Explíquese el trazado de rayos realizado. El rayo -<- incide paralelo al eje sobre la primera lente, emergiendo de ella en dirección a su foco imagen F'. Por estar en este punto situada la segunda lente, este rayo no sufre desviación al pasar a través de ella. El rayo -<<- incide sobre la primera lente por su centro óptico y no se desvía. Puesto que en este centro óptico está situado el foco objeto F 2 de la segunda lente, el rayo -<<- emerge de ella paralelo al eje, dando lugar, en el punto de convergencia de -<- y -<<-, a la imagen final que ha de estar situada precisamente en el plano focal imagen F' 2 de la segunda lente ya que los rayos que inciden sobre ella son paralelos entre sí, razón por la que los ángulos σ y σ' son iguales y como, según el enunciado, también son iguales las focales, los triángulos sombreados son iguales. De esta igualdad se deduce que la imagen es igual que el objeto e invertida por lo que el aumento es β' = Expresar la posición del objeto en función del aumento lateral y de la focal imagen para una lente delgada en aire. Se pide encontrar la forma de la función: s = f (β', f') y para ello, partiendo de la fórmula de las lentes y despejando la distancia objeto s, obtenemos: & s ) s ' Y s ' s).f ) f ) f ) &s ) y como el aumento es: β' = s'/s Y s' = β'.s y al sustituir en s: s ' β ).s.f ) f ) & β ).s Y s ' f) ( & β ) ) β )

10 III Encontrar la distancia entre el objeto y la imagen para una lente convergente que produce un aumento transversal de cuatro veces el tamaño del objeto. Puesto que el signo del aumento no se indica en el enunciado, el problema tiene dos soluciones. ª: Que la imagen sea real. En este caso la imagen es invertida y el aumento es negativo: s β = 4 = s s = 4s y de la figura se deduce que: d = OO = OL + LO = s + s = s + ( 4s) d = 5s Por otra parte, sustituyendo el valor de s' en la fórmula de las lentes y despejando s, queda: 5 = f = s = s s f 4s s f 4 y por último, sustituyendo este valor en d: d 5 f = 5s = 5 = f 2ª: Que la imagen sea virtual. Ahora la imagen es derecha y el aumento positivo: s β = + 4 = s = 4s s LO+ OO = LO s+ d = s d = s s = 4s s = 3s Sustituyendo el valor de s' en la fórmula de las lentes y despejando s, queda: 3 = f = s = s s f 4s s f 4 y al sustituir este valor en d: d 3 f f = s = = expresión en la que el signo negativo de la distancia d se debe a que, siendo positiva la focal imagen de la lente por ser ésta convergente, la distancia d va a ser negativa por estar la imagen O' a la izquierda del objeto O.

11 III Dada una lente delgada divergente de índice n, discutir las diferentes posibilidades de su focal en función del medio que le rodea. La expresión: n ) f ) ' (n & n ) ) r & r 2 permite calcular la focal de una lente de índice n sumergida en un medio de índice n' y de ella se deduce que el signo de su focal imagen f' depende del signo que tomen ambos paréntesis. Demostraremos que el segundo paréntesis es siempre negativo cualesquiera que sea la geometría y la orientación en el espacio de una lente divergente. Y si las lentes están orientadas al revés : En cuanto al signo del primer paréntesis (n - n'): a. Si el índice de la lente (n) es mayor que el índice del medio en el que está sumergida (n'), el paréntesis (n - n') es positivo y la focal de la lente es negativa, por lo que el sistema es divergente. b. Si el índice de la lente (n) es menor que el índice del medio en el que está sumergida (n'), el paréntesis (n - n') es negativo y la focal de la lente es positiva, por lo que el sistema es convergente.

12 III Una lente biconvexa ha de tener un índice de,52. Se desea que uno de los radios sea doble que el otro y que la distancia focal sea de 5 cm. Hallar dichos radios. Por tratarse de una lente biconvexa, el radio de la primera cara r es positivo mientras que el de la segunda r 2 es negativo. Según el enunciado: r = - 2.r 2 y como la focal de una lente en aire viene dada por la expresión: 5 al sustituir queda: = ( 52 ) y sustituyendo en r : ( ) = n f r r2, r2 = 3, 9 cm 2r2 r2 r = - 2.r 2 = - 2.(- 3,9) = + 7,8 cm 2. Un objeto luminoso de 5 cm se quiere proyectar en una pantalla situada a 0 m de él para ver su imagen con un tamaño de 2 m. Cuál debe ser la potencia de la lente y donde se debe colocar? Puesto que la imagen se va a recoger en una pantalla, se trata de una imagen real y por tanto invertida. Su tamaño es: y el aumento: y' = cm. β' = y'/y = - 200/5 = - 40 β' = s'/s = - 40 Y s' = - 40.s Por otra parte, de la figura se deduce la relación de segmentos orientados: OL + LO' = OO' en la que: LO = s Y OL = - s ; LO' = s' ; OO' = + 0 cm por lo que, teniendo en cuenta que s' = - 40.s, al sustituir queda: - s + s' = + 0 m Y - s + (-40.s) = + 0 m Y s = - 0,24 m y la distancia imagen: s' = - 40.s = - 40.(-0,24) = + 9,6 m Por último, la potencia de la lente es: P = = = + 4, 27 D s s 9, 6 0, 24 Conclusión: la lente ha de ser convergente de + 4,27 dioptrías y ha de estar situada a 24 cm a la derecha del objeto.

13 III Una lente delgada convexo-cóncava tiene un índice n =,5. La primera cara, de radio r = 0 cm, está en contacto con el aire y la segunda, de radio 2.r/3, con un medio de índice n'. a) calcular la posición de los focos en función de n', sabiendo que r = 0 cm. b) hallar la posición de la imagen de un punto situado en el eje, a la izquierda de la primera cara y a una distancia d de ella. Discutir el resultado cuando d varía entre cero e infinito si n' =,33. a. Cálculo de la posición de los focos. n = ; n 2 = n =,5 ; n 3 = n' =,33 r = r = + 0 cm ; r 2 = 2.r/3 = + 2.(0)/3 cm = + 6,66 cm La focal imagen de una lente de radios r y r 2 y de índice n 2 sumergida en medios de índices n y n 3 viene dada por la expresión (8) de este tema: ( n n ) ( n n ) n f = r y al sustituir valores y operar queda: r 2 ( ) ( 33 5), 33 5,,, = + f f = + 54, 286 cm La focal objeto y la focal imagen están relacionadas por la expresión (24) de este tema: b. Cálculo de la posición de la imagen. f = - n.f ' / n 3 = -.(-54,286)/,33 = - 40,86 cm La posición de la imagen formada por una lente viene dada por la expresión (26) de este tema: n s n n = s f s = n sf ( n s + n f ) 3 y teniendo en cuenta que, según el enunciado, el objeto está a una distancia s = - d, al sustituir todos los valores queda: s ) &72,2.d ' &,33.d % 54,286 ' &72,2 &,33 % 54,286 d c. Discusión de este resultado. º. Si d = 0, es s' = 0. 2º. Si 54,286 / d >,33, entonces s' es negativo y la imagen estará situada a la izquierda de la lente, siendo virtual. Esta situación se va a producir para d < 54,286/,33, es decir, para d < 40,86 cm. 3º. Si 54,286 / d =,33, entonces es s' = 4. Despejando d se deduce que esta situación se producirá cuando d = 40,86 cm. 4º. Si 54,286 / d <,333, entonces s' es positiva y la imagen será real e invertida y estará situada a la derecha de la lente. Esto sucederá cuando d > 40,86 cm. 5º. Si d = 4, entonces es: s' = -72,2/-,33 = + 54,286 cm = f ' y la imagen, naturalmente, estará situada en el foco imagen de la lente.

14 III Calcular gráfica y analíticamente el centro óptico de una lente delgada que separa el aire de un medio de índice n =,5 y cuya distancia focal imagen es f ' = + 30 cm. a. Determinación gráfica. Puesto que se conoce la focal imagen f ', se puede calcular la focal objeto f : f f n = n n f = f cm n = 30 = 20 5, Una vez situado el foco objeto F, desde un punto cualquiera P de su plano focal objeto se traza un rayo (-<-) paralelo al eje. Este rayo emerge en dirección F'. Un segundo rayo (-<<-) que incida paralelo a la dirección de emergencia del rayo -<-, ha de emerger paralelo al -<- por proceder ambos de un mismo punto P del plano focal objeto. En consecuencia, el rayo -<<- no se desvía al atravesar la lente. De este hecho se deduce que este rayo -<<está pasando por el centro óptico del sistema, quedando definida la posición del centro óptico en la intersección de este rayo -<<- con el eje (punto O). b. Determinación analítica. Debido al paralelismo de los rayos -<- y -<<- emergentes, los triángulos PAB y OF'C son iguales, por lo que: y evaluando ambos segmentos: PA = OF' AP = f Y PA = - f () LO + OF' = LF' Y OF' = LF' - LO = f ' - LO (2) e igualando () y (2): - f = f ' - LO Y LO = f ' + f = (- 20) = + 0 cm resultado del que se deduce que el centro óptico O está situado a 0 cm a la derecha de la lente.

15 III Hallar gráfica y analíticamente la posición y el tamaño de la imagen de un pequeño objeto situado a 50 cm de una primera lente de potencia 4 dioptrías, que está situada a 0 cm de una segunda lente de -5 dioptrías. a. Cálculo de la imagen que forma la primera lente. P = P 4 2 s 0 5m s s s = + s = + = = +, 0, 5 b. Cálculo de la imagen que forma la segunda lente. P 2 = = P2 + s s s s y como: s 2 = L 2 O 2 = L 2 O' = L O' - L L 2 = 0,5 m - 0, m = + 0,4 m queda: s 2 = 5+ = 2, 5 s2 = 0, 4m 0, 4 resultado del que se deduce que la imagen final está situada a 40 cm a la izquierda de la segunda lente. c. Cálculo del tamaño de la imagen. El aumento en una asociación de lentes es el producto de los aumentos: β' = y' /y = s' /s = 0,5/-0,5 = - β 2 = y 2/y 2 = s 2/s 2 = - 0,4/0,4 = - y = = y2 β β β 2 = ( )( ) = + y y y como la imagen y' que forma la primera lente es objeto virtual (y 2 ) para la segunda, queda: 2 β' = y 2/y = + Y y 2 = y en consecuencia, la imagen final y 2 tiene el mismo tamaño que el objeto y.

16 III A qué distancia mínima se encuentra un objeto y su imagen para una lente cilíndrica convergente suponiendo que el objeto está dispuesto perpendicularmente al eje del cilindro de la lente?. En la figura se ha supuesto una lente cilíndrica plano convexa, aunque el planteamiento es independiente del tipo de lente. La distancia que separa al objeto de la imagen es: d = OO'= OV + VO' = (- s) + (s') s' = d + s y sustituyendo este valor en la fórmula de las lentes (/s' - /s = /f'), queda: d + s s = f s d = s + f La condición de mínimo requiere que la primera derivada sea nula, por lo que derivamos respecto de s para obtener el valor de la posición s del objeto que hace mínima a la distancia d, siendo f', focal imagen de la lente, constante: d ) ' 0 ' &2.s.(s % f) ) & (&s 2 ) ' &s.(s % 2.f) ) ' 0 (s % f ) ) 2 (s % f ) ) 2 lo que requiere que el numerador sea nulo: s (s + 2.f') = 0 ecuación que presenta dos soluciones: ª) que s = 0, en cuyo caso el objeto y la imagen estarían pegados a la lente siendo nula la distancia entre ellos. 2ª) que s + 2.f' = 0, de donde s = - 2.f' y, en este caso, la distancia d entre objeto e imagen sería: d = - s + s' = - (- 2.f') + s' = 2.f' + s' y sustituyendo el valor de s en la fórmula de las lentes: = + = + = s' f ' s f ' 2 f ' 2 f ' s' = 2 f ' y llevando este valor a la expresión de la distancia d: d = 2.f ' + s' = 2.f' + 2.f' = 4.f ' resultado del que se deduce que la menor distancia que puede existir entre un objeto y la imagen formada por una lente convergente es 4.f ', lo que sucede cuando el objeto está situado a una distancia doble de la focal (s = - 2.f'), siendo objeto e imagen equidistantes de la lente por ser s' = 2.f '. 2

17 III Dadas dos lentes delgadas de potencias P =,5 y P 2 =,25 dioptrías, determinar la relación que hay entre la distancia e entre ellas con la distancia entre el objeto y la primera lente para tener un aumento transversal total de -4. Calculada esta relación, decir cuál es la posición del objeto si e = 50 cm. Si, en estas condiciones, e sufre una variación de mm debido a que se desplaza la segunda lente, cuánto tiene que variar la posición del objeto y en qué sentido para que el aumento del sistema siga valiendo -4? a. Relación entre la distancia e y la posición del objeto s. El aumento en una asociación de lentes es: s = = s2 β β β 2 = 4 s s2 y teniendo en cuenta que: s P = = 5, s = s s 5, s + s2 P2 = =, 25 s2 = s2 s2, 25s2 + al sustituir queda: β ) ' () (,5.s % ).(,25.s 2 % ) ' & 4 La primera lente forma una primera imagen y' del objeto (y); esta imagen hace de objeto para la segunda lente, que forma la imagen final y' 2. Como se desconoce la posición de estas imágenes, en la figura se han situado en una posición cualquiera pero posible, con la seguridad de que las relaciones que obtengamos a partir de ella serán correctas. De ella se deduce que: AB = AO' + O' B Y e = s' + (-s 2 ) s s2 = s e = e 5, s + y sustituyendo este valor en (): expresión en la que s y e se expresan en metros. e = s + 5 7, 5s (2) b. Cálculo de la posición del objeto para e = 50 cm. Si e = 50 cm = 0,5 m, sustituyendo este valor en (2) queda: s + 5 0, 5 = 7, 5s + 5 s = 0, 3448m = 34, 48 cm c. Cálculo de la nueva posición del objeto al variar e en mm. Si la lente se desplaza mm, puede ocurrir que este desplazamiento se produzca hacia la primera lente o alejándose de ella. En el primer caso, si la segunda lente se desplaza hacia la primera, el valor de la distancia e es: e = 50 cm - mm = 49,9 cm = 0,499 m

18 III - 49 y la posición del objeto: s + 5 e = m s m cm s + = 0, = 0, 3452 = 34, 52, y como la posición inicial del objeto era s = - 34,48 cm, el desplazamiento que hay que dar al objeto para que el aumento mantenga el mismo valor es: es decir, ha de alejarse 0,4 mm de la primera lente. s = - 34,52 - (-34,48) = - 0,04 cm = - 0,4 mm En el segundo caso, si la segunda lente se aleja de la primera, la distancia e es: y la posición del objeto: y el desplazamiento del objeto: e = 50 cm + mm = 50, cm = 0,50 m s + 5 e = m s m cm s + = 0, = 0, 3445 = 34, 45, s = - 34,45 - (-34,48) = + 0,03 cm = 0,3 mm por lo que, en este segundo caso, el objeto ha de desplazarse 0,3 mm hacia la primera lente. 8. Demostrar que si el aumento transversal es - en una lente delgada, entonces la distancia objetoimagen es 4.f'. En una lente delgada el aumento es: y como en este caso es β' = -, queda: s β = s s = s s = s e introduciendo este valor en la fórmula de las lentes: = s s f s s = f s = 2 f s = s = 2 f Por otra parte, de la figura se deduce que la distancia OO' entre el objeto y la imagen es: OO' = OL + LO' = - s + s' y sustituyendo s y s' por los valores hallados: OO' = - (- 2.f') + 2.f' = 4.f'

19 III Un miope que se ha hecho présbita tiene una distancia máxima de visión distinta de 00 cm y su distancia mínima de visión es de 40 cm. a) Qué lentes es necesario emplear para que vea perfectamente el infinito?. b) Para ver de cerca con las mismas gafas, se acoplan a las lentes anteriores, en su parte inferior, otras lentes. Calcular la potencia de estas segundas lentes para que su punto próximo se vea reducido a 20 cm a través de las gafas. c) Las lentes colocadas para ver de cerca son equiconvexas, delgadas y de índice,5. Calcular el radio de curvatura de sus caras. Suponer las gafas pegadas al ojo. a. Para que esta persona vea los objetos muy alejados es preciso colocarle unas gafas tales que, de un objeto situado en el infinito, formen la imagen en su punto remoto, que es m. La potencia P LEJOS de estas lentes para lejos es: P LEJOS = /s' - /s P LEJOS = (/-) - (/4) = - dt. b. La potencia total de las gafas para ver de cerca ha de ser tal, que la imagen de un objeto situado a 20 cm se ha de formar en su punto próximo, es decir, a 40 cm: P CERCA = /s' - /s = (/-0,4) - (/-0,2) = - 2,5 + 5 = + 2,5 dt. Según el enunciado, esta potencia se ha de conseguir mediante la adición de una lente de potencia P ADICIÓN a la lente para lejos, cuya potencia P LEJOS acabamos de calcular, por lo que: P CERCA = P ADICIÓN + P LEJOS P ADICIÓN = P CERCA - P LEJOS = + 2,5 - (- ) P ADICIÓN = + 3,5 dt c. La expresión P = ( n ) relaciona la potencia de una lente con su geometría: r r2 y como se trata de una lente equiconvexa los radios de ambas caras son iguales y de signo opuesto: r = + r ; r 2 = - r por lo que al sustituir queda: ( n ) PADICION = n r ( ) r = 2 r r = 2( n ) 2( 5, ) = P 3, 5 ADICION = 0, 29 m

20 III Un présbita cuya distancia mínima de visión distinta es de,20 m quiere leer a una distancia de 30 cm. Calcular: a) la convergencia de las lentes que debe emplear en el supuesto de que el ojo esté prácticamente pegado a la lente. b) si no disponemos mas que de lentes de 36 cm de focal, a qué distancia del ojo deberá colocar las lentes para ver lo mejor posible el libro situado a 30 cm del ojo? a. La lente ha de formar, del objeto situado a 30 cm, una imagen situada a,20 m ya que ésta es la menor distancia a la que esta persona puede ver con nitidez, por lo que: y sustituyendo estos valores en la fórmula de las lentes: s = - 30 cm = - 0,3 m ; s' = -,20 m P = /s' - /s = /(-,20) - /(-0,3) P = + 2,5 dt b. En este caso, la posición del objeto y de la imagen es la misma que antes referida al ojo. Sin embargo, las distancias s y s' son distintas por estar referidas a la lente. Los nuevos valores de s y s' son: y como OL = - s, queda: OL + LE = OE - s + LE = + 30 cm Y s = LE - 30 y como O'L = - s', queda: O'L + LE = O'E - s' + LE = + 20 cm Y s' = LE - 20 y sustituyendo estos valores en la fórmula de las lentes: f ) ' s ) & s ecuación que resuelta ofrece dos soluciones: Y 36 ' LE & 20 & LE & 30 LE = + 47,56 cm y LE = + 2,44 cm de las que únicamente es válida la segunda ya que la primera exigiría que la lente trabajara con objeto virtual por estar situada a la izquierda del objeto. Además, esta primera solución implica que la lente estuviera a más de,20 m del ojo que es la distancia mínima de visión distinta para la persona a la que se refiere el enunciado. En consecuencia: d = LE = 2,44 cm

21 III Una persona con una severa miopía puede ver claramente los objetos sólo si están situados a una distancia entre 5 y 40 cm del ojo. Determinar la distancia focal de las lentes de las gafas que le proporcionarán una visión clara de los objetos lejanos. Hallar después la distancia desde el ojo hasta el objeto más próximo que esta persona puede distinguir claramente cuando utiliza las gafas. a. En la figura, R es el punto remoto de esta persona y P su punto próximo. fig. Esta persona únicamente puede ver los objetos (sin gafas) o las imágenes (con gafas) que estén situados en la zona definida por el segmento RP comprendido entre su punto remoto y su punto próximo. Para poder ver un objeto alejado (en el infinito), esta persona necesita una lente tal que forme la imagen en su punto remoto R. La potencia de esta lente es: P = /s' - /s = /(-0,40 m) - /4 = - 2,5 dt b. Con estas gafas diseñadas para lejos esta persona va a ver nítidamente los objetos lejanos. Sin embargo no puede ver aquéllos objetos que estén muy próximos. Para calcular la posición más próxima a la que puede estar situado un objeto para que lo pueda ver, hagamos la siguiente consideración: en una lente divergente, a medida que se acerca el objeto hacia la lente (posiciones y A, y B, y C,.. de la figura 2), la imagen también se acerca (posiciones y' A, y' B, y' C,..). Cuando el objeto está en la posición C la imagen se forma justamente en el punto próximo P. Si el objeto se acercara más a la lente, la imagen se formaría a menor distancia que el punto próximo y esta persona no la podría ver nítidamente. En consecuencia la posición C es la más próxima a la que puede puede estar un objeto para que la pueda ver con estas gafas diseñadas para lejos. fig. 2 La distancia s a la que está situada la posición C del objeto es: P = /s' - /s ; - 2,5 = /(-0,5 m) - /s y operando: s = - 0,24 m = - 24 cm resultado del que se deduce que, con estas gafas, no podrá ver objetos que estén situados a menos de 24 cm ya que, para posiciones más próximas, la imagen se metería en la zona PL en la que no puede ver con nitidez. Nota: en la resolución de este problema se ha despreciado la distancia lente-ojo ya que el enunciado no indica su valor.

22 III Las lentes de unas gafas de miope tienen una distancia focal de -20 cm y la lente está situada a,4 cm del ojo. Si esta persona cambia a lentes de contacto situadas directamente sobre el ojo, cuál deberá ser la potencia de éstas?. a. Cálculo de la posición del punto remoto. Para que este miope pueda ver con gafas los objetos alejados (s = 4), la lente ha de formar la imagen en su punto remoto R (fig. ), por lo que: f = s s = s = s s' = f ' = - 20 cm = RL en consecuencia, el punto remoto R ha de coincidir con el foco imagen F' de la lente. No obstante, esta posición s calculada es la distancia entre el punto remoto R y la lente. La posición de R referida al ojo es: fig. RE = RL + LE = 20 +,4 = 2,4 cm = 0,24 m b. Cálculo de la potencia de las lentes de contacto. Cuando el miope utilice lentes de contacto, acopladas directamente sobre el ojo, la potencia de estas lentes ha de ser tal, que de un objeto situado en el infinito, formen la imagen en el punto remoto R. La potencia de estas lentes, al tener su segunda superficie en contacto con la lágrima acuosa (n = 4/3) que cubre la córnea viene dada por la expresión (29) de la pág. III-6: en la que: P = n 3 /s' - n /s s = 4 ; s' = - 2,4 cm = - 0,24 m y n = (aire) ; n 3 = 4/3 (agua) fig. 2 quedando al sustituir y operar: P ' n 3 s ) & n s ' 4/3 & 0,24 & 4 ' & 6,23 dt Si la lente no estuviera adosada al ojo, es decir, si entre la lente y el ojo existiera una capa de aire de espesor despreciable, la potencia necesaria sería: P = = = 4, 67 dt s s 0, 24

23 III Dos lentes cilíndricas separadas entre sí 20 mm tienen potencias P = 03, 333 D y P 2 = 36,905 D en dos planos perpendiculares entre sí. a) Si el objeto se sitúa a 0 mm a la izquierda de la primera lente, dónde se localizarán las imágenes? b) Si el objeto es un cuadrado de 0 x 0 mm, qué forma tendría su imagen? La potencia de la lente L, en el meridiano vertical (plano YZ), es nula ya que su sección según este plano no presenta ninguna superficie esférica. La potencia de esta lente en el meridiano horizontal (plano XY) es, según el enunciado del problema, P = 03,33 D. La lente L 2 tiene potencia nula en su meridiano horizontal mientras que su potencia en el vertical es P 2 = 36,905 D. En consecuencia, para las dimensiones verticales (CA) del objeto, todo sucede como si únicamente existiera la lente L 2, mientras que sobre las dimensiones horizontales (BD) del objeto, únicamente actúa la lente L. a. Imagen de DB formada por la lente L. a.. Posición. P = /s' - /s Y s = - 0 mm = - 0,00 m ; P = + 03,33 D y sustituyendo y operando: s' = + 0,30 m = mm a.2. Tamaño. β' = y' / y = s' / s Y y' = y.s' / s = 0 mm.(300 mm) / (-0 mm) = mm = D'B' b. Imagen de CA formada por la lente L 2. b.. Posición. P 2 = /s' 2 - /s 2 Y s 2 = - 30 mm = - 0,030 m ; P 2 = 36,905 D. y sustituyendo y operando: s' 2 = + 0,28 m = mm b.2. Tamaño. CONCLUSIÓN. β' 2 = y' 2 / y 2 = s' 2 / s 2 Y y' 2 = y 2.s' 2 / s 2 = 0 mm.(280 mm) / (- 30 mm) = - 93,333 mm = C'A' De la posición obtenida para ambas imágenes se deduce que están en un mismo plano imagen ya que las dos están a 300 mm de la lente L o, lo que es lo mismo, a 280 mm de L 2. Del tamaño de las imágenes C'A' y D'B' se deduce que la imagen total es un rectángulo invertido respecto del objeto y mayor que él, de dimensiones: (D'B') x (C'A') = 300 mm x 93,33 mm

24 III Un cubo de arista L = 2 cm e índice n tiene un espacio hueco en su interior en forma de esfera de radio r = 3 cm. Sabiendo que el centro del cubo y el centro de la esfera están alineados, calcular el índice de refracción del cubo y la posición de la esfera dentro de él para que un haz estrecho de rayos paralelos que incide en el cubo normalmente a una de sus caras, salga de la esfera pasando por el centro del cubo y salga del cubo pasando por el centro de la esfera. Se supone el cubo inmerso en aire, medio que llena también la esfera hueca. En la figura, C es el centro del cubo y E el de la esfera. Los rayos paralelos que inciden sobre la primera cara del cubo (plana de vértice V ) no se desvían por incidir perpendicularmente a ella y alcanzan la primera superficie de la esfera (convexa de vértice V 2 ) refractándose en dirección que pasa por su foco imagen F' 2, dando lugar a la formación de una imagen en este punto F' 2, cuya posición calculamos mediante la expresión: f ' = n'.r / (n'-n) en la que: n = n CUBO = n ; n' = n ESFERA (aire) = ; r = + 3 cm y sustituyendo: f ' 2 = 3 / (-n) = V 2 F' 2 A continuación la luz alcanza la segunda superficie de la esfera (cóncava de vértice V 3 ) y se refracta en ella pasando del aire (esfera) al medio de índice n (cubo). Para esta segunda superficie de la esfera todo sucede como si la luz procediera de un objeto real situado en F' 2 a una distancia s 3 de su vértice V 3, dando lugar a una imagen que, según el enunciado, ha de estar situada en el centro C del cubo, a una distancia s' 3 del vértice V 3. El valor de s 3 y de s' 3 no es posible calcularlo por desconocerse el índice de refracción del cubo pero sí se pueden calcular en función de éste índice. Para ello consideremos la relación de segmentos (ver figura): F' 2 V 3 = F' 2 V 2 + V 2 V () y como: F' 2 V 3 = - s 3 ; F' 2 V 2 = - f ' 2 ; V 2 V 3 = + 6 cm al sustituir estos valores en () queda: - s 3 = - f ' Y s 3 = f ' 2-6 = [3 / (- n)] - 6 = (6.n - 3) / ( -n) (2) También de la figura se deduce que: CV 3 = CE + EV (3) y como: CV 3 = - s' 3 ; CE = + d ; EV 3 = + 3 cm

25 III - 56 al sustituir estos valores en (3) queda: - s' 3 = d + 3 Y s' 3 = - (d + 3) (4) n Sustituyendo los valores de s 3 y s' 3 dados por las expresiones (2) y (4) en la fórmula de Gauss, s & n s ' n & r teniendo en cuenta que ahora es: n = n ESFERA (AIRE) = ; n' = n CUBO = n ; r = - 3 cm n queda: (5) &(d % 3) & & n 6n & 3 ' n & Y n ' 9 % 6d &3 6d Por último, la luz alcanza la segunda superficie del cubo (plana de vértice V 4 ) y se produce una nueva refracción. Para esta cara plana todo sucede como si los rayos procedieran de un objeto situado en C a una distancia s 4 de su vértice V 4. Según el enunciado, esta superficie ha de formar la imagen final en el centro de la esfera E, a una distancia s' 4. Calcularemos s 4 y s' 4 en función de n. En la figura se designa por d a la distancia CE entre el centro del cubo y el de la esfera. De ella se deduce que: CV 4 = CE + EV (6) y como: CV 4 = - s 4 = + 6 cm ; CE = d ; EV 4 = - s' 4 al sustituir estos valores en (6) queda: - s 4 = d + (- s' 4 ) Y 6 = d - s' 4 Y s' 4 = d - 6 Sustituyendo estos valores de s 4 y s' 4 en la fórmula del dioptrio plano, teniendo en cuenta que ahora la luz pasa del cubo al aire y que por tanto ahora es: queda: n = n CUBO ; n' = n AIRE = n / s = n' / s' Y n / s 4 = = / s' 4 Y n / (-6) = / (d - 6) Por último, igualando las expresiones (5) y (7): n = 6 / (6 - d) (7) 9 % 6d 6d ' 6 6 & d Y 2d 2 % 3d & 8 ' 0 ecuación que ofrece dos soluciones: d = 2,34 cm y d 2 = - 3,84 cm de las que únicamente es válida la primera ya que la segunda requiere que una parte de la esfera esté fuera del cubo. Del signo positivo de d se deduce que el centro de la esfera está a 2,34 cm a la derecha del centro del cubo. Sustituyendo este valor de d en cualquiera de las expresiones (5) o (7) se obtiene el valor del índice de refracción del cubo: n = 6 / (6 - d) = 6 / (6-2,34) =,64

26 III Una persona miope necesita una corrección de -2,5 dt para ver objetos lejanos. Con esta corrección, es capaz de ver objetos a una distancia mínima de 24 cm. Calcular el intervalo de visión cuando no lleva gafas. Si la lente correctora tiene un índice de,5 y el radio de curvatura de la primera cara es el doble que el de la segunda, calcular cómo varía el intervalo de visión cuando la persona se sumerge en el mar considerando, en este caso, que entre la lente y el ojo el medio es aire. Despreciar la distancia lente ojo. A. PERSONA SITUADA EN EL AIRE. La lente correctora forma, de un objeto en el infinito, una imagen en el punto remoto R del miope, siendo R el punto más alejado que puede ver sin gafas (fig. ) y cuya posición calculamos: P = 2, 5 = s = 0, 4m s s s fig. resultado del que se deduce que el punto remoto R de esta persona está a 40 cm y, por lo tanto, sin gafas no podrá ver objetos situados a menos distancia. Por ser una lente divergente, las imágenes que forma están situadas entre el objeto y la propia lente (fig. 2) de manera que para una determinada posición A del objeto, la imagen se forma en el punto próximo P. Si el objeto estuviera en una posición B más próxima, la imagen se formaría en B', punto situado a menor distancia que su punto próximo P y no podría verlo con nitidez. En consecuencia, la posición del punto más próximo que puede ver con gafas es A, situado según el enunciado a una distancia de 24 cm, por lo que: P = 2, 5 = s s s 0, 24 s = 0, 5m = 5cm resultado del que se deduce que, el punto próximo P de esta persona está a 5 cm por lo que, sin gafas, esta persona no puede ver objetos situados a menos distancia. fig. 2 CONCLUSIÓN: sin gafas su intervalo de visión es desde 5 hasta 40 cm. B. PERSONA SUMERGIDA EN AGUA. Para poder conocer el intervalo de visión cuando está sumergida es preciso calcular la potencia de la lente cuando, según dice el enunciado, el primer medio es agua y el segundo,entre lente y ojo, es aire, despreciándose esta distancia. La potencia P de la lente en aire es: n P = P + P = f + 2 f 2 en la que P, P 2, f' y f' 2 son las potencias y focales de las superficies que delimitan la lente y n su índice. Calculamos estas focales: n r = = 5,.( 2r) f = 6r n n 5, n r2 f = =. r 2 = 2r n n 5, en las que r es el radio de la segunda superficie de la lente.

27 III , Al sustituir queda: 2, 5 = + r = + 0, m = + 0cm 6r 2r La potencia P' de la lente cuando la primera cara está sumergida en agua es P' = P' + P 2 en la que P' es la potencia que tiene ahora la primera superficie, mientras que P 2 es la potencia de la segunda superficie, que no sufre ningún cambio por seguir estando en contacto con el aire, por lo que tiene el mismo valor que en el caso anterior, es decir, P 2 = /f' 2 = -/2r. Calculando P' y sustituyendo queda: n r = = 5,.( 2r) n f = r P = 8 n n 5 33 f = 5,,, 8r 5, = + = + P P P2 r = 0, m P = 4, 66 dt 8r 2r Calcularemos a continuación el nuevo intervalo de visión, es decir, la zona comprendida entre la posición más alejada y la más próxima en la que puede estar situado un objeto para que la persona sumergida pueda verlo con gafas. Para ello recordemos que esta persona únicamente puede ver objetos (sin lentes) o imágenes (con lentes) que estén situados a más de 5 cm y a menos de 40 cm y que la potencia de la lente, cuando está sumergida es de -4,66 dt. En estas condiciones, si un objeto está situado en el agua a distancia infinita, la lente va a formar una imagen de él en una posición: n n = n = P = 4, s = 0, 24 m = 24cm s s f s por lo que esta persona, sumergida con gafas, va a poder ver objetos en el infinito ya que su imagen se forma a 24 cm, lo que está dentro de su campo de visión. En las lentes divergentes, al acercar el objeto la imagen también se acerca, por lo que para una determinada posición del objeto la imagen va a estar en la posición más próxima para que pueda ser vista, es decir, a 5 cm. Esta posición del objeto es: n n = n = 4 3 = P ( 4, 66) s = 0, 533m = 53cm s s f s 0, 5 CONCLUSIÓN: sumergida con gafas, esta persona va a poder ver objetos situados entre 53,3 cm y el infinito. 26. Calcular analíticamente el aumento transversal que produce un dioptrio plano para cualquier posición del objeto. El aumento transversal en un dioptrio esférico viene dado por la expresión: β = ns n s y teniendo en cuenta que un dioptrio plano es también un dioptrio esférico (de radio infinito), la expresión anterior es válida para el dioptrio plano. No obstante, la relación que existe entre la posición del objeto y de la imagen en el dioptrio plano es: n n = ns = n s s s por lo que al sustituir en la expresión del aumento queda: β = +

28 III Un anciano puede ver sin gafas los objetos situados a distancias entre 60 y 200 cm de su ojo. Qué lentes necesita para ver objetos alejados?, y para leer el periódico colocado a 30 cm del ojo? A qué distancia no podrá ver esta persona con las lentes calculadas anteriormente? Despreciar la distancia lente-ojo. a. LENTES PARA OBJETOS ALEJADOS. La lente que necesita ha de formar, de un objeto y situado en el infinito, una imagen y' en su punto remoto R (fig. ): s = 4 ; s'= cm = - 2 m PL = = = 0, 5 dt s s 2 fig. b. LENTES PARA OBJETOS A 30 CM. fig. 2 c. DISTANCIAS A LAS QUE NO PUEDE VER CON ESTAS LENTES. La lente que necesita ha de formar, de un objeto y situado a 30 cm, una imagen y' situada en su punto próximo P (fig. 2): s = - 30 cm = - 0,3 m s'= - 60 cm = - 0,6 m PC = dt s s = = +, 67 0, 6 0, 3 c.. Con las lentes para ver "de lejos". Con estas lentes, cuya potencia calculada en el apartado a. es de - 0,5 dt, esta persona puede ver perfectamente los objetos alejados. Sin embargo, cuando un objeto se acerca a una lente divergente ésta forma de él una imagen cada vez más próxima a la lente por lo que habrá una posición del objeto s para la que la imagen y' se formaría en el punto próximo P (fig. 3): P L = = PL = ( 0, 5) = 7, s s s s 0, 6 fig. 3 s = = 0, 86 m = 86 cm 7, resultado del que se deduce que, con estas lentes, no podrá ver objetos situados a menos de 86 cm ya que la imagen se formaría a una distancia menor que el punto próximo, es decir, entre P y la lente y en esa zona no puede ver con nitidez ningún objeto.

29 III - 55 c.2. Con las lentes para ver "de cerca". Con estas lentes, cuya potencia calculada en el apartado b. es de +,67 dt, esta persona puede ver objetos situados a una distancia mínima de 30 cm. No obstante, al alejarse un objeto de una lente convergente (que trabaje con objeto dentro de su focal como en este caso) la imagen también se aleja de la lente por lo que habrá una posición s del objeto (fig. 4) para la cual la imagen se forme en el punto remoto R. Esta posición s es: fig. 4 P C = = PC = 67 = 2 7 s s s s 2,, s = -0,46 m = - 46 cm resultado del que se deduce que esta persona, con las gafas para ver "de cerca", no podrá ver objetos situados a más de 46 cm ya que para mayores distancias objeto, la imagen se formaría más lejos que el punto remoto R. 28. En el siguiente sistema, hallar gráficamente la imagen del objeto. Explicar los pasos seguidos y definir la imagen. El rayo -<- incide en dirección al foco objeto F de la primera lente por lo que emerge de ella paralelo al eje, saliendo del sistema en dirección foco imagen F' 2 de la segunda. El rayo -<<- incide paralelo al eje y emerge de la primera en dirección a su foco imagen F. Para conocer la dirección de este rayo después de atravesar la segunda lente es preciso trazar un rayo auxiliar (-<-<-<-) con el que ha de cortarse en un punto (P) del plano focal F' 2 por incidir ambos sobre la segunda lente paralelos entre sí. La utilización del rayo que partiendo del objeto incidiera por el centro de la primera lente no es conveniente en este caso ya que este punto no es su centro óptico por ser f f como puede verse claramente en la figura que representa al sistema propuesto y, en consecuencia, este rayo sufriría una desviación.

30 III Una semiesfera de vidrio con índice,5 sumergida en aire tiene un radio de 5 cm. Dos rayos paralelos al eje inciden sobre la cara curva a una altura sobre el eje óptico de 2 y 4 cm respectivamente. Hallar: a) el punto de corte de estos rayos con el eje después de atravesar la semiesfera. b) el ángulo que forman estos rayos entre sí a la salida. c) si suponemos una lente delgada de las mismas características geométricas, donde focalizarían los rayos?. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. El rayo incidente sufre una primera refracción en P y una segunda en Q, cortando al eje en un punto B situado a una distancia x del centro de curvatura C de la semiesfera. Esta distancia x es la que hemos de calcular. En el triángulo QCB: tg δ = QC/x ; x = QC/tg δ por lo tanto, para determinar la posición del punto de corte x hay que calcular el segmento QC y el ángulo δ. 2. CONSIDERACIONES GEOMÉTRICAS. Los ángulos g' 2 y δ son iguales por tener un lado común y el otro paralelo, siendo δ la desviación que sufre el rayo al atravesar la semiesfera ya que es el ángulo que forman las direcciones del rayo incidente y el emergente: δ = g' 2 Por la misma razón los ángulos g y α son también iguales: α = g. 3. CÁLCULO DEL ÁNGULO DE INCIDENCIA g. En el triángulo PAC: sen α = sen g = h/r para h = 2 cm: sen g = 2/5 = 0,4 û g = 23,58 o para h = 4 cm: sen g = 4/5 = 0,8 û g = 53,3 o 4. CÁLCULO DEL ÁNGULO DE REFRACCIÓN g'. En el punto P: sen g = n.sen g' ; sen g' = (sen g )/n para h = 2 cm: sen g' = (sen 23,58)/,5 = 0,27 û g' = 5,47 o para h = 4 cm: sen g' = (sen 53,3)/,5 = 0,53 û g = 32,23 o 5. CÁLCULO DEL ÁNGULO g 2. En el punto P: g = g' + g 2 û g 2 = g - g' para h = 2 cm: g 2 = 23,58-5,47 = 8, o

31 III - 57 para h = 4 cm: g 2 = 53,3-32,23 = 20,90 o 6. CÁLCULO DEL ÁNGULO g' 2. Aplicando la ley de Snell en el punto Q: n.sen g 2 = sen g' 2 para h = 2 cm: sen g' 2 =,5.sen 8, = 0,2 ; g' 2 = 2,22 o para h = 4 cm: sen g' 2 =,5.sen 20,9 = 0,54 ; g' 2 = 32,35 o 7. CÁLCULO DEL SEGMENTO QC. Aplicando el teorema de los senos al triángulo PQC: sen r = QC QC = r. senε ( ε + 90) senε sen ( ε + 90) 2 2 para h = 2 cm: QC = 5.sen 5, 47 sen, ( 8+ 90) = 35, cm para h = 4 cm: QC = 5. sen 32, 23 sen ( 20, ) = 2, 85 cm 8. CÁLCULO DEL PUNTO DE CORTE (X). Según se vio en el punto, x = QC/tg δ = QC/tg g' 2. Sustituyendo valores queda: para h = 2 cm: para h = 4 cm: x =,35/tg 2,22 = 6,23 cm x = 2,85/tg 32,35 = 4,50 cm 9. CÁLCULO DEL ÁNGULO QUE FORMAN LOS RAYOS. En el punto 2 se ha visto que la desviación δ que sufre el rayo es igual al ángulo g' 2. El ángulo φ que forman las direcciones de los rayos emergentes es por lo tanto: φ = δ 2 - δ = g' 2 (h=4 cm) - g' 2 (h=2 cm) φ = 32,35-2,22 = 20,3 o 0. CASO DE UNA LENTE DELGADA. Ahora se ha de considerar que los rayos están en la zona paraxial y en consecuencia ambos rayos focalizarían en el foco imagen F' de la lente, que sería convexo-plana de radios 5 cm e 4 y de n =,5. La distancia focal de una lente delgada viene dada por la expresión: = f r r ( n ) ( 5, ) 2 0 = 5 =,, f = = 0 0 cm, por lo que ambos rayos cortarían al eje (focalizarían) a 0 cm a la derecha de la lente.