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Propagación de la luz
La luz y su propagación.
* Viaje en todas direcciones: Para describir su propagación se
considera que las partículas se mueven en línea recta.
*Transmisión a través de las sustancias: Opacas , transparentes y traslúcidas
Opacas: Los rayos de luz son incapaces de pasarlas
Ej. Muro de ladrillo
Transparentes: La luz es capaz de pasarlas y en ellas seguir la misma
dirección de
Propagación.
Ej. Agua, Vidrio, Aire
Traslúcidas: La luz se dispersa, lo que da lugar a que a través de ellas no se
Puedan ver imágenes con nitidez.
Ej. Papel, Cristal Esmerilizado.
Velocidad de
propagación
* La luz en cada medio se propaga con una
velocidad característica.
Rapidez de la luz
Medio
Vacío
Agua
Vidrio
Diamante
-
Rapidez (km/s)
300.000
220.000
200.000
120.000
Entre más denso, menor velocidad
Propagación de la luz en
el vacío
El sonido sólo se propaga a través de medios
materiales, en cambio, la luz, por tratarse de
una onda electromagnética además de
propagarse por medios materiales, se propaga
también en el vacío.
Por esto nos llega la luz del Sol y las estrellas, lo
que además de permitir que exista vida en
nuestro planeta, nos permite estudiar el
universo de los astros.
Transmisión de la luz
• La luz es capaz de atravesar diversos
objetos, algunos con mayor eficacia
que otros, como ya lo hemos visto. En
la transmisión de la luz pueden
ocurrir diversos fenómenos tales
como: reflexión, refracción y
absorción.
Refracción
• Este efecto se debe
a los cambios que
sufre la rapidez de la
luz cuando pasa de un
medio a otro, o
cuando atraviesa
zonas de diferente
densidad y
temperatura de un
mismo medio, los
cuales modifican la
dirección de los rayos
de luz haciendo que
unos se refracten y
que otros se reflejen.
Absorción
• Cuando un rayo luminoso
se propaga por un medio,
va disminuyendo
paulatinamente su
intensidad. Se dice que
ese medio lo absorbe.
También sucede que al
reflejarse la luz solar
sobre una sustancia, una
parte de ella se absorba,
produciendo la sensación
de color, por ejemplo, si
una sustancia absorbe
todos los colores de la luz,
menos el verde, que se
refleja, esa sustancia la
veremos de color verde
•
Naturaleza de la luz
¿Ondulatoria o
Corpuscular?
Dejando de lado las ideas más antiguas sobre la
naturaleza de la luz, los máximos protagonistas de
esta historia son Isaac Newton y Cristian
Huygens. Ambos científicos fueron
contemporáneos y llegaros a conocerse en 1689.
un año más tarde aparece la obra de Huygens,
mientras que Newton publica su obra en 1704. en
sus obras aparecen las dos teorías clásicas
ondulatoria y corpuscular sobre la naturaleza de
la luz.
Teoría Corpuscular
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Esta teoría se debe a Newton (1642-1726). La luz está compuesta por
diminutas partículas materiales emitidas a gran velocidad en línea recta por
cuerpos luminosos. La dirección de propagación de estas partículas recibe el
nombre de rayo luminoso.
La teoría de Newton se fundamenta en estos puntos:
Propagación rectilínea. La luz se propaga en línea recta porque los corpúsculos
que la forman se mueven a gran velocidad.
Reflexión. se sabe que la luz al chocar contra un espejos se refleja. Newton
explicaba este fenómeno diciendo que las partículas luminosas son
perfectamente elásticas y por tanto la reflexión cumple las leyes del choque
elástico.
Refracción. El hechos de que la luz cambie la velocidad en medios de distinta
densidad, cambiando la dirección de propagación, tiene difícil explicación con
la teoría corpuscular. Sin embargo Newton supuso que la superficie de
separación de dos medios de distinto índice de refracción ejercía una
atracción sobre las partículas luminosas, aumentando así la componente normal
de la velocidad mientras que la componente tangencial permanecía invariable.
Según esta teoría la luz se propagaría con mayor velocidad en medios más
densos. Es uno de los puntos débiles de la teoría corpuscular.
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Teoría Ondulatoria
Fue idea del físico holandés C. Huygens. La luz se propaga mediante
ondas mecánicas emitidas por un foco luminoso. La luz para
propagarse necesitaba un medio material de gran elasticidad,
impalpable que todo lo llena, incluyendo el vacío, puesto que la luz
también se propaga en él. A este medio se le llamó éter.
La energía luminosa no está concentrada en cada partícula, como
en la teoría corpuscular sino que está repartida por todo el frente
de onda. El frente de onda es perpendicular a las direcciones de
propagación. La teoría ondulatoria explica perfectamente los
fenómenos luminosos mediante una construcción geométrica
llamada Principio de Huygens. además según esta teoría, la luz se
propaga con mayor velocidad en los medios menos densos. a pesar
de esto, la teoría de Huygens fue olvidada durante un siglo debido
a la gran autoridad de Newton.
En 1801 el inglés T. Young dio un gran impulso a la teoría
ondulatoria explicando el fenómeno de las interferencias y
midiendo las longitudes de onda correspondientes a los distintos
colores del espectro.
La teoría corpuscular era inadecuada para explicar el hecho de
que dos rayos luminosos, al incidir en un punto pudieran originar
oscuridad.
Naturaleza dual de la luz
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A finales del siglo XIX se sabía ya que la velocidad de la luz en el agua era
menor que la velocidad de la luz en el aire contrariamente a las hipótesis de
la teoría corpuscular de Newton. En 1864 Maxwell obtuvo una serie de
ecuaciones fundamentales del electromagnetismo y predijo la existencia
de ondas electromagnéticas. Maxwell supuso que la luz representaba una
pequeña porción del espectro de ondas electromagnéticas. Hertz confirmó
experimentalmente la existencia de estas ondas. El estudio de otros
fenómenos como la radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico y los
espectros atómicos puso de manifiesto la impotencia de la teoría
ondulatoria para explicarlos. En 1905, basándose en la teoría cuántica de
Planck, Einstein explicó el efecto fotoeléctrico por medio de corpúsculos
de luz que él llamó fotones. Bohr en 1912 explicó el espectro de emisión del
átomo de hidrógeno, utilizando los fotones, y Compton en 1922 el efecto
que lleva su nombre apoyándose en la teoría corpuscular de la luz.
Apareció un grave estado de incomodidad al encontrar que la luz se
comporta como onda electromagnética en los fenómenos de propagación ,
interferencias y difracción y como corpúsculo en la interacción con la
materia.
No hay por qué aferrarse a la idea de incompatibilidad entre las ondas y los
corpúsculos, se trata de dos aspectos diferentes de la misma cuestión
que no solo no se excluyen sino que se complementan.
REFLEXIÓN DE LA LUZ
Reflexión
Cuando una onda llega a una frontera entre
dos medios, una parte de la onda (porque
otra pequeña parte es absorbida), rebota
hacia el primer medio. Este es el fenómeno
de reflexión.
Ley de la
reflexión
El ángulo que forma el rayo
incidente con la normal, llamado
ángulo de incidencia, es igual al
ángulo que forma el rayo
reflejado con la normal, o sea,
ángulo de reflexión.
Ley de reflexión y el
principio de Fermat.
De acuerdo a la ley de reflexión, el ángulo con
que incide un rayo de luz respecto de la normal
es igual al ángulo con que se refleja. De dicha
ley se deriva el principio de Fermat:“de todos
los caminos posibles que puede seguir la luz, ella
adopta el que toma menor tiempo.”
Imagen real y virtual
• Imagen real: Cuando el ojo está percibiendo
una imagen real, los rayos de luz provenientes
de ese objeto llegan sobre la retina
directamente del objeto . (No son
prolongaciones del rayo, pueden ser rayos
directo o por reflejo en un espejo o lente)
• Imagen virtual: Cuando el ojo percibe una
imagen virtual esos rayos que ve el ojo
proceden del espejo (La imagen se percibe en
el lugar donde convergen las prolongaciones de
esos rayos divergentes)
Nota: Es importante considerar la posición del observador para
determinar si la
Imagen es real o virtual
Imagen real
En el diagrama anterior se muestran
un par de pinceles (rayos) que ayudan
a formar la imagen retiniana de un
objeto real y también de una imagen
virtual (producida por un espejo
plano), y la única diferencia ente un
caso y el otro es que cuando el ojo
está percibiendo un objeto real los
pinceles que caen sobre la retina
proceden directamente del objeto,
mientras que cuando percibe una
imagen virtual esos pinceles
proceden del espejo ... pero en cuanto
a su divergencia es igual (las vemos
de igual forma en nuestro cerebro).
Imagen virtual
Formación de imágenes
• Reflexión en espejos convexos
En los espejos convexos siempre se forma una
imagen virtual, derecha y de menor tamaño con
respecto al objeto:
Formación de imágenes
• Reflexión de espejos cóncavos
Imagen real, invertida y más pequeña
Formación de imágenes
• Reflexión de espejos cóncavos
Imagen real, invertida y de igual tamaño.
Formación de imágenes
• Reflexión de espejos cóncavos
Imagen virtual, derecha y de mayor tamaño.
Formación de imágenes
• Reflexión de espejos cóncavos
Imagen real, invertida y de mayor tamaño.
Lentes Convergentes y
Divergentes
Lentes Convergentes
• Las lentes
convergentes son
más gruesas por el
centro que por los
bordes, y la
distancia focal de
estas lentes se
considera positiva
Lente convergente: Los rayos paralelos procedentes del
infinito convergen sobre el plano focal imagen, la imagen
es VIRTUAL (dentro del espejo), (derecho si esta
adelante del centro de curvatura o invertido si esta
atrás del centro de curvatura) y MAS GRANDE.
Imagen virtual porque el observador esta detrás del trébol, recibe rayos prolongados
Tipos de Lentes
Convergentes
Lentes Divergentes
• Las lentes
divergentes son
más gruesas por
los bordes y se
estrechan en el
centro, la distancia
focal de estas
lentes se
considera negativa.
Tipos de Lentes
Divergentes
Formación de imágenes en
Lentes Convergentes y
Divergentes
• Las lentes convergentes, para objetos
alejados, forman imágenes reales, invertidas y
de menor tamaño que los objetos
• Para objetos próximos forman imágenes
virtuales, derechas y de mayor tamaño.
• Las imágenes producidas por las lentes
divergentes son virtuales, derechas y menores
que los objetos
Óptica del Ojo Humano
Etapas del Acto visual
• 1.-Formación de la imagen
• 2.-Nacimiento del influjo nervioso
• 3.-Transmisión del impulso nervioso a
través del nervio óptico.
• 4.-Interpretación del impulso
nervioso, en la corteza cerebral.
Formación de la imagen
• Cuando miramos a un objeto, el
cristalino (lente convergente) forma
una imagen real e inversa de ese
objeto, localizada exactamente sobre la
retina, y en esas condiciones, vemos
claramente el objeto. A pesar de que la
imagen formada en la retina es inversa,
el mensaje que es enviado al cerebro
pasa por procesos complejos, haciendo
que veamos el objeto en posición
correcta.
• Conseguimos ver nítidamente un
objeto, tanto si él está lejos como si
está próximo de nuestro ojo. Esto
ocurre por que la imagen es siempre
formada sobre la retina, para cualquier
distancia del objeto a nuestro ojo. Para
que esto ocurra, la distancia focal del
cristalino debe ser diferente para cada
posición del objeto.
• Este efecto es producido por la
acción de los músculos del ojo, que,
actuando sobre el cristalino provocan
alteraciones en su curvatura. Esta
propiedad del ojo es llamada:
“Acomodación
visual”
Defectos de la Visión
Miopía
• La miopía se
caracteriza por una
deficiencia en la
visión lejana dando
como resultado un
esfuerzo notorio
para poder distinguir
los objetos a
distancia.
Hipermetropía
• La hipermetropía puede ser producida porque el poder
de enfoque de la córnea y el cristalino es menor de lo
normal. También es posible la hipermetropía por ser el
ojo muy pequeño. Es por esta razón que los objetos
cercanos y los lejanos son enfocados detrás de la
retina.
Astigmatismo
• El astigmatismo es el
resultado de la
desigualdad o
irregularidad de la
curvatura corneal, no
siendo igual en la
totalidad de su
superficie.
Presbicia
• Esto se debe a al endurecimiento del
cristalino que con el paso de los años,
provoca un menor cambio en su forma.
• Un ejemplo claro de esta
enfermedad, es cuando vemos a los
adultos mayores alejar cada vez mas
el periódico para poder leer con
claridad.
Estrabismo
• Es la pérdida del
paralelismo de los
ojos. Los dos ojos no
miran al mismo sitio,
uno de ellos dirige la
mirada al objeto que
fija, mientras que el
otro se desvía en otra
dirección.
El Telescopio
Telescopio
Un telescopio es básicamente un instrumento óptico que
recoge cierta cantidad de luz y la concentra en un punto. La
cantidad de luz captada por el instrumento depende
fundamentalmente de la apertura del mismo (el diámetro del
objetivo). Para visualizar las imágenes se utilizan los oculares,
los cuales se disponen en el punto donde la luz es
concentrada por el objetivo (plano focal). Son estos los que
proporcionan la ampliación al telescopio.
Existen dos grandes divisiones entre los telescopios, según el
tipo de objetivo que utilizan: los reflectores y los refractores. Los
reflectores se constituyen de un espejo principal (espejo
primario u objetivo), el cual no es plano como los espejos
convencionales, sino que fue provisto de cierta curvatura
(parabólica) que le permite concentrar la luz en un punto.
Los telescopios refractores poseen como objetivo una lente (o
serie de lentes) que de forma análoga al funcionamiento de
una lupa, concentran la luz en el plano focal.
Telescopio Refractor
Telescopio Reflector
Propiedades y fórmulas
Distancia focal: Es distancia comprendida entre el
objetivo del telescopio (sea un reflector o refractor) y el plano
focal del mismo. Esta medida varia según el diámetro del
objetivo y del diseño del mismo (la curvatura del espejo, por
ejemplo). La medida se suele dar en milímetros y sirve para
calcular cosas como el aumento, la razón focal, etc.
• Razón focal: La razón focal (o F/D) es un índice de
cuan luminoso es el telescopio. Esta medida esta
relacionada con la focal y el diámetro del objetivo.
Cuanto mas corta es la distancia focal y mayor el
objetivo, mas luminoso será el telescopio.
• Para calcular el F/D de un telescopio solo hay que
dividir la distancia focal por el diámetro del objetivo,
todo en las mismas unidades:
• F/D = F [mm] / D [mm]
Así, un telescopio de 910 mm de focal (F), con 114 mm de
diámetro (D) posee una razón focal de 8. Este valor sin
unidades representa cuan luminoso es un telescopio.
Aumentos: Los aumentos o ampliación no son la
cantidad de veces mas grande que se observa un
objeto, como suele creerse, sino que se refiere a
como será observado si nos ubicásemos a una distancia
"tantas veces" mas cercana al objeto.
Por ejemplo: si observamos a la Luna con 36
aumentos (36x, nombrado 36 "por") y sabemos que
esta se localiza a unos 384.000 kilómetros de
distancia, nos aparecerá tal cual seria observada
desde solo 10.666 kilómetros. Esto se calcula
fácilmente dividiendo la distancia por la ampliación
utilizada.
• Para saber cuantos aumentos estamos utilizando debe
conocerse la distancia focal de nuestro telescopio y la
distancia focal del ocular dispuesto, dado que son
estos últimos los que proveen de la ampliación a
cualquier telescopio. A menor distancia focal, mayor
será la ampliación utilizada. Para calcular los aumentos
implementados debe dividirse la distancia focal del
telescopio por la distancia focal del ocular:
• A = Ft [mm] / Fo [mm]
Donde A son los aumentos, Ft la focal del telescopio y Fo la
focal del ocular.
Resolución
Se llama resolución o poder separador a la capacidad
de un telescopio de mostrar de forma individual a dos
objetos que se encuentran muy juntos, usualmente
llamada "límite de Dawes". Esta medida se da en
segundos de arco y esta estrechamente ligada al
diámetro del objetivo, dado que a mayor diámetro
mayor es el poder separador del instrumento.
Para calcular la resolución de un telescopio se utiliza la
siguiente fórmula:
R ["] = 4.56 / D [pulgadas]
• En donde R es la resolución en segundos de arco, D es
la apertura (diámetro del objetivo) en pulgadas (1
pulgada = 2,54 cm), y 4.56 es una constante. Hay que
notar que el resultado del calculo es totalmente
teórico, dado que el poder separador de cualquier
instrumento instalado sobre la superficie terrestre
esta severamente influenciado por la atmósfera.
Magnitud límite
La magnitud máxima a la cual aspiramos
observar es uno de los mas importantes factores
a la hora de iniciar por primera vez nuestras
observaciones. Esta característica esta
íntimamente ligada al diámetro del objetivo, a
mayor diámetro mayor será el poder recolector de
luz el cual permitirá observar objetos mas débiles.
Para calcularla se emplea la siguiente fórmula:
MLIMITE = 7,5 + 5 . Log D [cm]
Donde MLIMITE es la magnitud límite, y D es el
diámetro del objetivo en cm.
Campo visual
Se denomina campo visual al tamaño de la porción de
cielo observado a través del telescopio con cierto ocular y
trabajando bajo cierta ampliación. Para calcularlo se deben
conocer los aumentos provistos con el ocular utilizado (ver
mas arriba) y también el campo visual del ocular.
Para calcular el campo visual se divide el campo
aparente del ocular por la ampliación utilizada.
Cr [grados] = Ca [grados] / A
• Donde Cr es el campo real en grados, Ca el campo
aparente del ocular en grados y A es la ampliación que
provee ese ocular.
Resumen de fórmulas
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Razón Focal (f/d): f/d = F [mm] / D [mm]
Aumentos: A = F [mm] / Foc [mm]
Ampliación Máxima: Amax = 2,3 x D
Campo Real: Cr [grados] = Ca [grados] / A
Resolución: R ["] = 4,56 / D [pulgadas]
Magnitud Límite: M = 7,5 + 5 . Log D [cm]
f/d: Razón Focal
D: Diámetro del objetivo
A: Aumentos (Amax: Máximos Aumentos)
F: Distancia Focal del telescopio
Foc: Distancia Focal del ocular
Cr: Campo Real
Ca: Campo Aparente (ocular)
R: Resolución
M: Magnitud
Ejercicios
Si una onda luminosa pasa del aire al
agua, entonces su:
A) longitud de onda disminuye.
B) rapidez de propagación aumenta.
C) frecuencia disminuye.
D) longitud de onda aumenta.
E) frecuencia aumenta.
• Clave: A.
• En esta pregunta se deben reconocer como varían las
propiedades de una onda luminosa al cambiar de
medios. En particular se debe tener claro que la
rapidez de propagación y la longitud de onda dependen
del medio, sin embargo, la frecuencia no varía cuando
la onda cambia de medio. Adicionalmente es necesario
conocer que la rapidez de propagación de una onda
luminosa es menor en el agua que en el aire, lo cual no
es más que recordar información significativa de la
disciplina.
• Cuando se coloca un objeto frente a un espejo plano
se forma una imagen de este. ¿Cuál de las siguientes
afirmaciones NO CORRESPONDE a las imágenes
formadas en este tipo de espejos?
A. Presenta una inversión de derecha a izquierda
B. El tamaño de la imagen es igual al del objeto
C. La distancia entre el objeto y el espejo es la misma
que entre la imagen y el espejo
D. Se forman imágenes reales
E. Las imágenes se sitúan en la parte posterior del
espejo
• Cuando se coloca un objeto frente a un espejo plano
se forma una imagen de este. ¿Cuál de las siguientes
afirmaciones NO CORRESPONDE a las imágenes
formadas en este tipo de espejos?
A. Presenta una inversión de derecha a izquierda
B. El tamaño de la imagen es igual al del objeto
C. La distancia entre el objeto y el espejo es la misma
que entre la imagen y el espejo
D. Se forman imágenes reales
E. Las imágenes se sitúan en la parte posterior del
espejo
• Las imágenes reales formadas por espejos se
obtienen:
A. Al poner un objeto frente a un espejo plano
B. Al poner un objeto frente a un espejo
convexo
C. Al poner un objeto frente a un espejo
cóncavo, a una distancia menor a la focal
D. Al poner un objeto frente a un espejo
cóncavo, a una mayor distancia de la focal
E. En todas las situaciones anteriores.
• Las imágenes reales formadas por espejos se
obtienen:
A. Al poner un objeto frente a un espejo plano
B. Al poner un objeto frente a un espejo
convexo
C. Al poner un objeto frente a un espejo
cóncavo, a una distancia menor a la focal
D. Al poner un objeto frente a un espejo
cóncavo, a una mayor distancia de la focal
E. En todas las situaciones anteriores.
Las gafas de corrección de la
miopía usan lentes que son:
I Convergentes.
II Divergentes.
III De otro tipo.
a) Sólo I
b) Sólo II
c) Sólo III
d) I o III
e) No se puede corregir
• SOL:
b) sólo II
• Las lentes de corrección de la miopía se usan
para que una imagen que se forma delante del
ojo se forme más atrás, evitando forzar el ojo
y evitando una mala visión en el caso de que no
poder forzarlo suficientemente. Para esto es
necesario hacer diverger los rayos de luz que
inciden en ellas.
¿Que es un lente
convergente?
a) Lente que converge los rayos de luz atrás del punto focal
b) Lente que converge la luz en el punto focal
c) Lente bicóncavo que diverge la luz produciendo una imagen
mas pequeña. virtual y derecha
d) Lente que sitúa la luz en el vértice y luego de mueve paralelo
al eje óptico
e) Lente que converge la luz delante del centro de
circunferencia
En las lentes convergentes
la imagen es
a) Derecha, menor y virtual.
b) Derecha mayor y real.
c) Depende de la posición del objeto.
d) Invertida, mayor y real
e) Ninguna de las anteriores
• SOL.: c
• Depende de la posición del objeto, ya que si
está separado de la lente más de 2 veces la
distancia focal, tendrá una imagen real,
invertida y menor. Con una separación igual a
2f la imagen será real, invertida y del mismo
tamaño. Si está situado entre f y 2f la imagen
será real, invertida y mayor. Para distancias
menores, la imagen es virtual, derecha y
mayor