Download Pasa a la sección titulada Refracción, Lentes y Prismas. En esta

Menu
Print
Lesson
Pasa a la sección titulada Refracción, Lentes y Prismas.
En esta sección, considerarás cómo la luz es refractada cuando pasa entre medios.
También examinarás cómo funcionan los lentes y verás cómo funciona el ojo humano. Y
finalmente, aprenderás cómo los prismas dispersan la luz y cómo se forman los arcoiris.
La luz viaja en una línea recta a través del espacio vacío. Pero dentro de nuestra
experiencia cotidiana, la luz pasa a través de varios medios, tales como el aire, las ventanas,
un vaso de agua, o un par de anteojos. Bajo estas circunstancias, la dirección de una onda
de luz puede ser cambiada por refracción.
Veamos lo que involucra la refracción de la luz.
En el capítulo titulado Las Ondas, aprendiste que las ondas se doblan cuando
pasan de un medio a otro. Si la luz viaja de un medio transparente a otro, a un ángulo
distinto a la línea recta, el rayo de luz cambia de dirección cuando se encuentra con el
lindero entre los medios. Esto se puede ver en la Figura 26. Nota en la Figura 26 que la
luz se dobla a medida que pasa del aire al agua a un ángulo. La luz se dobla cuando cambia
de medio porque la velocidad de la luz es diferente en cada medio.
La Figura 27 muestra la dirección de la ruta que toma una cortadora de césped al
pasar de la acera al césped. La rueda que entra al césped primero disminuirá de velocidad a
causa de la fricción. Si sigues empujando la cortadora de césped, la rueda sobre el césped
actuará como un eje en movimiento. Como resultado, la cortadora de césped dará vuelta a
otro ángulo. Nota que la ruta de la cortadora de césped en la Figura 27 es similar al camino
de la luz en la Figura 26.
Mira la próxima página. [pausa]
Examinemos lo que ocurre cuando una luz se mueve de un material en el cual su
velocidad es más alta, a un material en el cual su velocidad es menor. Por ejemplo,
considera lo que ocurre cuando una luz pasa del aire a un vaso, como se muestra en la
Figura 28A. Nota que la Figura 28A muestra una línea normal, la cual es perpendicular al
lindero entre el aire y el vaso. Observa que el rayo de luz en la Figura 28A está doblado
Sound and Light
Copyright  Holt, Rinehart and Winston. All rights reserved.
27
Menu
Print
Lesson
hacia la normal. Esta situación es como la cortadora de césped moviéndose de la acera
sobre el césped. Ahora examinemos lo que ocurre cuando la luz se mueve de un material
en el cual su velocidad es más lenta, a un material en el cual su velocidad es mayor, como
se muestra en la Figura 28B. ¿Hacia adónde está doblado el rayo de luz en este caso?
[pausa] Si dijiste que el rayo está doblado alejándose de la normal, acertaste.
La refracción hace que los objetos aparenten estar en diferentes posiciones.
La Figura 29A muestra lo que ocurre cuando un gato mira a un pez que está debajo
del agua. Nota en la Figura 29A que el gato percibe al pez mucho más cerca de lo que
realmente está. Por otro lado, la Figura 29B muestra lo que ocurre cuando el pez mira al
gato que está más arriba de la superficie. Nota en la Figura 29B que el pez percibe al gato
como más lejano de lo que realmente está.
Las imágenes desplazadas que ven el gato y el pez son imágenes virtuales. Éstas
son como las imágenes virtuales que se forman detrás de un espejo. Examina la Figura
29A. Los rayos de luz que pasan del pez al gato se doblan alejándose de la normal cuando
los rayos pasan del agua al aire. Pero el cerebro del gato no sabe eso. El cerebro del gato
interpreta la luz como si hubiese viajado en una línea recta. Como resultado, el gato ve una
imagen virtual del pez.
Similarmente, la luz del gato al pez en la Figura 29B se dobla hacia la normal. Esto
causa que el pez vea una imagen virtual.
La refracción en la atmósfera crea espejismos.
¿Alguna vez has estado en una carretera recta en un día de verano caliente y seco?
Si es así, es posible que hayas visto lo que parece agua en la carretera. Si lo has visto,
entonces has visto un espejismo. Un espejismo es una imagen virtual causada por la
refracción de luz en la atmósfera.
La luz viaja a velocidades algo diferentes en el aire de diferentes temperaturas. Por
lo tanto, cuando la luz del cielo pasa por una capa de aire caliente, por ejemplo, el aire justo
encima del asfalto de una carretera, la luz se refracta. En este caso, la luz se dobla hacia
Sound and Light
Copyright  Holt, Rinehart and Winston. All rights reserved.
28
Menu
Print
Lesson
arriba alejándose de la carretera. Al mirar a lo largo de la carretera, ves una imagen del
cielo que aparenta venir de la carretera misma. Tu mente sabe que la carretera no se ve así,
por lo tanto tu mente podría asumir que hay agua sobre la carretera y que causa un reflejo.
Sin embargo, la imagen es causada por refracción en lugar de reflexión.
Pasa a la próxima página. [pausa]
En la mayoría de los casos, la luz se refracta en el lindero entre dos medios
transparentes, tales como el aire y el agua. Sin embargo, en algunos casos, la luz puede ser
reflejada en el lindero entre dos medios transparentes.
La Figura 30 muestra cuatro destellos de luz acercándose a un lindero entre aire y
agua. Tres de los destellos son refractados al pasar de un medio a otro. Pero el cuarto
destello es reflejado de nuevo hacia el agua.
Si el ángulo, en el cual los rayos de luz se encuentran con el lindero entre dos
medios, se agranda lo suficiente, los rayos serán reflejados como si el lindero fuese un
espejo. Este ángulo se llama el ángulo crítico, y este tipo de reflexión se llama reflexión
interna total.
La fibra óptica emplea la reflexión interna total.
La Figura 31A muestra que la manufactura de cables de fibra óptica se realiza
fundiendo juntos grupos de fibras transparentes. La Figura 31B muestra que la luz dentro
de un cable de fibra óptica rebota de la pared de la fibra. Esto es debido a la reflexión
interna total.
Si las fibras son colocadas en el mismo patrón en ambas puntas del cable, la luz que
entra por una punta del cable puede producir una imagen clara en la otra punta. Los cables
de fibra óptica de ese tipo son utilizados para producir imágenes de órganos internos
durante intervenciones quirúrgicas.
Los cables de fibra óptica pueden llevar muchas frecuencias diferentes a la vez.
Como resultado, estos cables transmiten datos computarizados o señales de llamadas
telefónicas más eficientemente que los cables normales de metal.
Sound and Light
Copyright  Holt, Rinehart and Winston. All rights reserved.
29
Menu
Print
Lesson
Vayamos a la siguiente página. [pausa]
Probablemente estás familiarizado con una aplicación común de la reflexión de luz:
los lentes. Los lentes en las cámaras, microscopios, anteojos, y los ojos, cambian la forma
como vemos el mundo.
Los lentes dependen de la refracción.
La luz que viaja a través de una pieza plana de vidrio se refracta dos veces. La luz
se refracta una vez cuando entra al vidrio, y se refracta de nuevo cuando vuelve a entrar al
aire. El rayo de luz que sale del vidrio aún está paralelo al rayo de luz original, pero su
posición ha cambiado.
Por otro lado, cuando la luz pasa a través de una pieza curva de vidrio, llamado
lente, hay un cambio en la dirección de los rayos de luz. Esto es debido a que cada rayo
de luz golpea la superficie de un objeto curvo a un ángulo escasamente diferente.
La Figura 32A muestra un lente convergente. Nota en la Figura 32A que el lente
convergente es más grueso en el centro. Un lente convergente dobla los rayos paralelos de
luz hacia adentro para que los rayos se converjan uno sobre el otro. La Figura 32B muestra
un lente divergente. Examina la Figura 32B. ¿Dónde es más grueso un lente divergente?
[pausa] Un lente divergente es más grueso en los bordes. Nota en la Figura 32B que un
lente divergente dobla la luz hacia afuera.
Un lente convergente puede crear una imagen virtual o una imagen real. La clase de
imagen que se forma depende de la distancia del objeto al lente y la distancia del lente a tu
ojo. Un lente divergente, sin embargo, puede crear sólo una imagen virtual.
Los lentes pueden amplificar las imágenes.
Una lupa es un ejemplo de un lente convergente. Una lupa revela detalles que
normalmente no podrías ver. La Figura 33 muestra los detalles de una flor vistos a través
de una lupa. La imagen grande de la flor que es vista a través del lente es una imagen
virtual. La amplificación es cualquier cambio en el tamaño de una imagen comparado
con el tamaño del objeto. La amplificación usualmente produce una imagen más grande
Sound and Light
Copyright  Holt, Rinehart and Winston. All rights reserved.
30
Menu
Print
Lesson
que el objeto original, pero no siempre.
Por favor pasa a la próxima página. [pausa]
Si sostienes una lupa sobre un pedazo de papel bajo la luz solar brillante, podrás ver
una imagen real del sol sobre el papel. Al ajustar la altura del lente sobre el papel, podrás
enfocar juntos los rayos de luz en una pequeña área o punto. Esto se llama punto focal. En
el punto focal, la imagen del sol puede contener suficiente energía como para prenderle
fuego al papel.
Los microscopios y los telescopios de refracción utilizan lentes múltiples.
Un telescopio compuesto utiliza lentes múltiples para proveer mayor amplificación
de lo que puede una lupa. La Figura 34 ilustra un microscopio compuesto básico. Localiza
el lente objetivo en la Figura 34. [pausa] El lente objetivo primero forma una imagen real
grande del objeto. Ahora localiza el ocular en la Figura 34. [pausa] El ocular luego actúa
como una lupa. El ocular crea una imagen virtual aún más grande, que ves cuando miras
por un microscopio.
Antes en este capítulo leíste cómo los telescopios de refracción utilizan espejos
curvos para crear imágenes de objetos distantes como planetas y galaxias. Los telescopios
de refracción funcionan más como microscopios, enfocando la luz a través de varios lentes.
El gran lente inicial de un telescopio crea una imagen real dentro del tubo del telescopio.
Esta imagen luego es vista a través de otro lente en el ocular del telescopio.
El ojo humano depende de la refracción y los lentes.
La refracción de la luz por medio de lentes no sólo es usada en microscopios y
telescopios. Sin refracción, tu propia visión sería imposible.
La cirugía del ojo humano es de muchas maneras, similar a la de una cámara
sencilla. La luz entra a la cámara a través de un lente grande. El lente enfoca la luz en una
imagen sobre el rollo de fotos que está en la parte de atrás de la cámara. La Figura 35
muestra la estructura de un ojo humano. Examina la Figura 35 a medida que tracemos el
camino de la luz a través del ojo.
Sound and Light
Copyright  Holt, Rinehart and Winston. All rights reserved.
31
Menu
Print
Lesson
La luz entra al ojo primero a través de un tejido transparente llamado córnea. La
córnea es responsable del 70 por ciento de la refracción de luz en el ojo. Después de la
córnea, la luz pasa a través de la pupila, la cual es un agujero en el iris colorido.
De la pupila, la luz viaja a través del cristalino o lente. El cristalino está compuesto
de fibras vidriosas situadas detrás del iris. La curvatura del cristalino determina qué tanto
más lejos refractará el cristalino la luz. Los músculos pueden ajustar la curvatura del
cristalino hasta que una imagen esté enfocada en la retina. La retina es la capa trasera del
ojo.
La retina está compuesta de pequeñas estructuras llamadas varas y conos. Estas
varas y conos son sensibles a la luz. Cuando la luz golpea las varas y conos, señales son
enviadas al cerebro donde son interpretadas como imágenes. Examina la Figura 35. ¿Qué
estructura lleva las señales del ojo al cerebro? [pausa] Si contestaste el nervio óptico,
acertaste.
Mira la próxima página. [pausa]
Los conos están concentrados en el centro de la retina, mientras que las varas están
mayormente ubicadas en los bordes exteriores de la retina. Los conos son responsables de
la visión a color, pero sólo responden a luz brillante. Ésta es la razón por la cual no puedes
ver color en una luz muy tenue. Por otro lado, las varas son más sensibles a la luz tenue,
pero no pueden distinguir los detalles muy bien. La sensibilidad y la ubicación de las varas
explican por qué puedes vislumbrar movimientos débiles o ver estrellas muy tenues por las
esquinas de los ojos.
Ahora vayamos a la discusión de la dispersión y los prismas.
La Figura 36 muestra un prisma. Un prisma es un bloque transparente con una
sección transversal triangular. Un prisma puede separar la luz blanca en muchos colores
diferentes. Las gotitas de agua en el aire también pueden hacer esto, produciendo un arco
iris. Pero ¿por qué se separa la luz en diferentes colores?
Sound and Light
Copyright  Holt, Rinehart and Winston. All rights reserved.
32
Menu
Print
Lesson
Colores diferentes de luz refractan diferentemente.
En el capítulo titulado Las Ondas, aprendiste que las ondas en un medio dado
viajan a la misma velocidad. Esto es cierto para las ondas mecánicas, pero no para las
ondas electromagnéticas. Las ondas de luz de diferentes longitudes viajan a diferentes
velocidades en un medio dado. En un espectro visible, la luz violeta es la más lenta, y la
luz roja es la más rápida.
Ya que la luz violeta viaja más lentamente que la luz roja, la luz violeta se refracta
más que la luz roja cuando pasa de un medio a otro. Considera lo que ocurre cuando una
luz blanca pasa del aire al vidrio de un prisma. La luz violeta se dobla más, la roja menos,
y el resto del espectro visible aparece en la mitad. Así que, por las diferencias en velocidad
de onda, la luz se separa en diferentes colores. Este efecto se llama dispersión. La
dispersión es el efecto en el cual la luz blanca se separa en sus colores componentes.
Por favor pasa a la próxima página. [pausa]
La Figura 37 muestra un arcoiris. Los arcoiris pueden formarse en cualquier
momento que haya agua en el aire. Cuando la luz solar golpea una gota de agua, la luz se
dispersa al pasar del aire al agua. Parte de la luz se refleja de la superficie trasera de la gota
de agua por medio de la reflexión interna total. La luz se dispersa aún más cuando pasa
fuera del agua de vuelta al aire.
Nota en la Figura 37 lo que ocurre cuando la luz finalmente deja la gota. La luz
violeta brota a un ángulo de 40 grados, la luz roja a los 42 grados, con los otros colores
entre ellas. Vemos la luz de muchas gotas como arcos de color, formando un arcoiris. La
luz roja viene de las gotas más altas en el aire, mientras que la luz violeta viene de las gotas
de más abajo.
Ahora por favor ponle atención a los conceptos clave que se listan en el Resumen.
La luz puede refractarse cuando pasa de un medio a otro.
Los rayos de luz también pueden ser reflejados en el lindero entre medios.
Sound and Light
Copyright  Holt, Rinehart and Winston. All rights reserved.
33
Menu
Print
Lesson
Los lentes forman imágenes reales o virtuales por refracción.
Los lentes convergentes causan que los rayos de luz se converjan en un punto. Los
lentes divergentes causan que los rayos de luz se dispersen, o se diverjan.
Un prisma dispersa la luz blanca en un espectro de color.
********************************
Sound and Light
Copyright  Holt, Rinehart and Winston. All rights reserved.
34