OPTICA

La óptica es la parte de la física que estudia el comportamiento de la luz y los fenómenos que produce. Se encuentra de manera de aplicaciones de la vida cotidiana como son los lentes de anteojos para corregir problemas visuales, miopía y astigmatismo, en la fabricación de todo tipo de espejo, faros de automóviles etc. y en usos astronómicos como la construcción de telescopios.

Óptica geométrica
La óptica geométrica es conocida también como óptica de rayos. Estudia los fenómenos de naturaleza corpuscular que se originan cuando la luz se considera como rayos que se encuentran como obstáculos como espejos (reflexión), lentes o prismas(refracción) y formación del arco iris al interactuar con la lluvia.

2.2.1 Luz

La luz es un tipo de energía mediante la cual se hacen visibles los objetos que nos rodean. Se transmite en forma de ondas transversales.

Teorias sobre la luz

I.- Teoría corpuscular.
La teoria corpuscular o de emisión fue desarrollada en el siglo XVIII por Isaac Newton (1642-1727), físico, matemático y astrónomo ingles que formulo las leyes basicas de la mecánica. Indica que la luz esta formada por corpúsculos(partículas) emitidos por cuerpos luminosos como una flama o el sol.

II.- Teoría ondulatoria de Huygens.
La teoría ondulatoria fue propuesta en 1678 por Christiaan Huygens(1629-1695) físico , matemático holandes, Huygens pensaba que la luz presentaba analogías con el sonido, por lo que postuló que tenia un comportamiento de tipo ondulatorio y que se propaga en forma de ondas longitudinales, para esto, la luz requería un medio, y a esta sustancia desconocida se le llamo éter, que se creía que formaba el espacio. No podía explicar como viajaban la luz en el vació, como loase la luz del sol y las estrellas.

III.- Teoría electromagnética.
La teoría electromagnética fue propuesta en 1873 por james clerk Maxwell(1831-1879), físico ingles autor del electromagnetismo y cuyas contribuciones son equiparables a las de Newton en la mecánica. Marwell demostró matemáticamente la existencia de campos eléctricos y magnetismo, los cuales vibran uno respecto al otro de manera perpendicular conforme se propaga la onda luminosa transversal, por lo que la luz no tendría que depender de un medio material para viajar.

IV.- Teoría cuántica.
La teoría cuántica fue propuesta por Planck en 1901. Max Plank(1858-1974), fisico, alemán, premio Nóbel. Él indicaba que en la emisión de luz por átomos intervienen “saltos” de electrones, de un nivel de menos energía(mas interno) aun nivel de mayor energía(mas externo). Y solo es de manera momentánea, ya que pronto regresan al lugar de donde partieron; a esta acción se le llama estado excitado y es precisamente en el regreso cuando se emite un fotón, esto es, un impulso palpitante de radiación electromagnética cuya frecuencia esta asociada al salto que efectuó; puede considerarse como un “corpúsculo” de energiza pura, una “partícula” de luz expulsada del átomo, por ejemplo, un foto de luz roja lleva una cantidad de energía que corresponde a su frecuencia, si se excitan muchos átomos en un material, se emitirán muchos fotones con frecuencia que corresponde a los distintos niveles que se excitaron.

Comportamiento dual de la luz
La luz tiene una doble naturaleza: se comporta como onda electromagnética al momento de propagarse y de forma corpuscular al interactuar sobre la materia.

Propiedades de la luz
A) Se propaga en el vació, así que no requiere ningún medio para transmitirse
B) Se propaga en línea recta, a través de un mismo medio y en todas direcciones a partir del cuerpo luminoso que la origina.
C) Se propaga a través de ondas transversales
D) Su velocidad en el vació es de 300000 km/s o 3x10°8 m/s,
E) Presenta los fenómenos de reflexivo, refracción, interferencia, disfraccion y polarización.

Fuentes de producción de luz
Encontramos que algunos reflejan la luz y otros la emiten, son fuentes productores de luz: el sol, una hoguera, lámparas y velas. El sol es una fuente natural, mientras que los demás son artificiales, a ambos se les denomina cuerpos luminosos, los que reciben la luz, como un arbol, mesa, piedra, etc. se les llama cuerpos iluminados.

Fotometría
La fotometría es la parte de la óptica que determina la intensidad de una fuente luminosa y la iluminación de las superficies.
Por ejemplo: las lámparas del alumbrado publico, la intensidad (I), es la cantidad de la luz producida o emitida por una fuente luminosa. Su unidad de medida es la candela (cd) y a lo queincide por unidad de superficie se le llamailuminacion(E) , cuya unidad es el luz(lx),[ 1lx= 1cd/m2], la equivalencia entre ambas es 1 watt=1.1 cd, asi que un foco de 100 watts de los que se usan en las casa equivale a 110cd.

Ley de iluminación
Se cumple siempre que a mayor lejanía de la fuente luminosa, menor será la iluminación, por que conforme la distancia crece, la cantidad de luz emitida se tiene que repartir en una superficie cada vez mayor. Esta establece que la iluminación es directamente proporcional a la intensidad dela fuente luminosa e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa ala fuente y la superficie. La luz recomendada debe estar entre 40 y 60 lx. Valores menores predisponen a la miopía. La ecuación para calcular la iluminación de una superficie cuando inciden los rayos de manera perpendicular y con cierta inclinación. E= I/d2 E=(I)(cos0)/d2.

2.2.2 Reflexión de la luz

Es el fenómeno óptico en el cual los rayos luminosos son desviados por una superficie. El espejismo es un fenómeno de la luz consecuencia de la reflexión. Es una ilusión óptica producida por la reflexión total de la luz en la atmósfera. Se observan en días muy calurosos, por ejemplo, al viajar en un auto. LA explicación es que la luz procedente del cielo, al chocar con la superficie muy caliente del asfalto, toma el camino mas corto para llegar a nuestros ojos.

Primera ley de la reflexión de la luz
La primera ley de la reflexión de la luz establece que el rayo incidente, la normal (linea imaginaria perpendicular ala superficie del espejo) y el rayo reflejado se encuentra sobre el mismo plano(sistema coplanar).

Segunda ley de la reflexión de la luz
La segunda ley de la reflexión de la luz establece que el Angulo de reflexión es igual al angulo de incidencia. De las dos anteriores leyes se desprende que si el rayo luminoso incide perpendicularmente a la superficie reflectora, se reflejara sobre si mismo.

Espejo
Se le denomina espejo a cualquier superficie que refleje los rayos de la luz: por ejemplo: espejos de cristal. Los espejos se clasifican en dos tipos planos y esféricos.

Tipo de imágenes formadas en espejos
Las imágenes que se producen en los diversos tipos de espejos pueden ser derechas, virtuales, reales y simétricas, dependiendo de la posición en la que se coloca el objeto.

Imagen derecha
Las imágenes derecha es la que tiene la misma dirección(posición), que el objeto.

Imagen simétrica
Una imagen es simétrica cuando la imagen y el objeto parecen hallarse a la misma distancia del espejo.

Imagen virtual
Son las imágenes que aparentemente se ven dentro del espejo, por ejemplo. Las formadas en instrumentos como: lupa, microcopio y telescopio, se forman en el punto en el que los rayos reflejados divergentes( a partir de un punto se dispersan) aparentan cruzarse detrás del espejo. Su característica es que no pueden proyectarse sobre una pantalla, se les llama así por que la luz no emana de la imagen sino que solamente lo parece.

Imagen real
Puede ser observada después de que la luz emitida por el cuerpo localizado en el punto A, es reflejada por un espejo cóncavo que la hace conversar en el punto B. Las característica de esta imagen es que siempre es invertida con relación al objetos. Por ejemplo: pantalla del cine.

2.2.3 Espejo plano

Un espejo plano como su nombre lo dice, está constituido por una superficie plana.
Es el que se usa en las casas. Costa de una pieza de cristal sobre la cual se deposita una capa delgada de plata en una de sus caras y para protegerla se recubre de pintura.

Imagen de espejo plano
Las características de la imagen en estos espejos son: derecha, ya que conserva la misma dirección; es virtual, por qué se ve como si estuviera dentro del espejo; es simétrica, porque es la misma distancia del espejo; es del mismo tamaño que el objeto; es invertida (el brazo izquierdo de la persona es como si fuera el brazo derecho de la imagen), esto último es debido al cambio de dirección de los rayos de luz cuando se reflejan en el espejo.

Caleidoscopio
Es una aplicación de los espejos angulares. Es un instrumento con espejos que producen múltiples reflejos creando imágenes regulares al azar, porque dentro se colocan trozos de vidrio o plástico de colores. Está formado por un tubo de aproximadamente 30 cm con dos o tres espejos largos y delgados, normalmente con ángulo de 60°.

Periscopio
Es otra de las aplicaciones de los espejos angulares. Este aparato se utiliza para observar de manera indirecta los objetos que no se pueden ver directamente por alguna razón. Algunos periscopios más complicados utilizan prismas de reflexión interna

Número de imágenes en espejos planos
Cuando dos espejos planos se colocan unidos por un extremo formando un determinado ángulo y frente a ellos se pone un objeto cualquiera se observará un número de imágenes determinado por el ángulo que los separa. La ecuación para calcular el número de imágenes es la siguiente:

2.2.4 Espejos esféricos

En estos tipos de espejos tienen como característica que forma parte de una esfera.

Elementos principales de los espejos perifericos
Los componentes principales de un espejo esférico son: centro de curvatura(C), vértice (V), foco (F), eje principal (EP), eje secundario (ES) y su distancia focal.



Rayos fundamentales en espejos esféricos
Se llama así a un tipo de rayos que al incidir en ciertos puntos del espejo esférico, se comportan de determinada forma. Se presenta en 3 casos:

•Si el rayo de luz es paralelo al eje principal, reflejarse pasa por el foco.
•Si el rayo de luz pasa por el foco, es reflejado paralelamente al eje principal.
•Cuando el rayo de luz pasa por el centro de curvatura, es reflejado en la misma dirección.

Espejo esférico cóncavo
Un espejo esférico es cóncavo cuando los rayos luminosos son reflejados por la parte inferior. Se usan por ejemplo en microscopios, telescopios, cámaras, etc. Para conectar la imagen o luz en un punto.

Formación de imágenes en espejos esféricos cóncavos
Las imágenes observadas en los espejos esféricos dependen de la posición en la que se coloque el objeto, pero es indispensable que se corte por lo menos dos rayos reflejados enviados desde dos puntos extremos del objeto, lo cual dará origen a imágenes virtuales o reales. Se presentan en 5 casos:

-Primer caso. Objeto colocado después del centro de curvatura.
-Segundo caso. Objeto colocado en el centro de la curvatura.
-Tercer caso. Objeto colocado entre el foco y el centro de curvatura.
-Cuarto caso. Objeto colocado en el foco del espejo.
-Quinto caso. Objeto colocado entre espejo y foco.

Aplicaciones de espejos esféricos cóncavos

Los rayos luminosos se utilizan en linternas de mano, faros de automóviles, etc.

Aumento de la imagen
El tamaño de la imagen de un objeto puede ser mayor o menor, ello dependerá de la posición donde sea colocado.
A=Tamaño de la imagen/ Tamaño del objeto

El numero inferior a 1 indica que la imagen formada es menor que la del objeto y, por tanto, se presenta una reducción. Por contrario, si el numero es mayor a 1, se da un incremento en el tamaño de la imagen. A= d iE/ d oE A= h i/ h o

Espejos esféricos convexos
Un espejo esférico es convexo cuando la parte reflectora es la exterior, por lo que al incidir en ella los rayos luminosos divergen de esta después de ser reflejados.

Caracteristicas de la imagen en espejos esféricos convexos

Una de las características de este espejo es:

siempre forman la misma imagen, que se caracteriza por ser virtual.

Aplicaciones de espejos esféricos convexos

La superficie de este espejo es que esta abombada, lo que le da una panorámica mayor de lo que lo rodea. Este espejo se una por ejemplo: en tiendas que en particularidad se encuentran es las esquinas como elementos de seguridad o en espejos vehículos como traileres.
Mediante la combinación de espejos esféricos convexos y lentes se logra que objetos diminutos parezcan grandes.

2.2.5 Refracción de la luz

La refracción de la luz es un fenómeno óptico que consiste en la desviación que sufre un rayo luminoso al pasar de un medio a otro con diferente densidad y tiene como consecuencia un cambio de velocidad, la cual se recupera al regresar nuevamente al medio original. Por ejemplo, la desviación que experimenta un rayo de luz al incidir sobre el agua: cualquier objeto recto, como un lápiz o popote dentro el agua, dan la impresión de estar quebrados. Se debe a que lo que se observa realmente no es la parte sumergida, sino su imagen virtual situada arriba de la posición real del objeto.
Por la refracción, una moneda en el fondo de un recipiente da la impresión de estar mas elevada, debido a que los rayos refractados constituyen un haz divergente, así que llegan al ojo como si hubiesen sido emitidos desde el punto de la imagen virtual(superior). También por este fenómeno, una alberca con aguas tranquilas le parece menos profunda a una persona sentada en la orilla, porque la refracción de la luz no permite ver el fondo, sino que más bien su imagen en una posición más elevada.
La refracción también se presenta con la luz del Sol al final del día, que aun cuando éste se encuentre ya por debajo de la línea del horizonte se sigue observando.
El fenómeno de refracción se rige por la primera y la segunda ley de la refracción.

Primera ley de la refracción

La primera ley de la refracción establece que el rayo incidente, el rayo refractado, así como la normal, se encuentran en el mismo plano (forman un sistema coplanar). Cuando el ángulo de refracción es menor que el de incidencia, el rayo refractado se acerca a la normal, debido a que pasa a un medio de mayor densidad.

Segunda ley de refracción
La segunda ley de refracción , conocida como ley de snell-Willebrord Snell (1591-1626), físico, matemático y astrómono holandés que hizo estudios sobre la refracción de la luz, establece que para cada par de sustancias transparentes, la relación entre el seno del ángulo de incidencia y el ángulo de refracción es constante. A éste numero se le llama índice de refracción. También definido como la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la que presenta en un determinado medio, su valor siempre será mayor a la unidad y es adimensional, es decir no tiene unidades.
En general, se considera que la velocidad de la luz en el vacío es prácticamente igual a la que se presenta en el aire.
El índice de refracción se utiliza para conocer el grado de desviación que experimentan los rayos de la luz al pasar a través de lentes anteojos, binoculares y cámaras que forman la imagen en la posición y lugar correctos. Como el índice de refracción es constante para una sustancia homogénea, constituye una propiedad física definida con la cual puede detectarse.






2.2.6 Lentes

Una lente es un cuerpo transparente limitado por dos caras esféricas o por una esférica y una plana. Su función es aumentar o reducir la imagen que se ve através de ellos.
Refractan los rayos luminosos que los atraviesan haciéndolos que diverjan o converjan.
Las lentes se utilizan en lupas, microscopios, anteojos, etc. Son de dos tipos: convergentes y divergentes.

Elementos que forman una lente
Los elementos principales que integran una lente son: centro óptico (C),eje principal (EP), foco (F), doble distancia focal (2F) y eje secundario (ES). Son importantes para la construcción de topo tipo de lentes como los usados en los anteojos.

Potencia que forman una lente
Al inverso de la distancia focal se le denomina potencia de una lente. Se define como la capacidad de una lente o espejo para hacer converger un haz de rayos paralelos. Permite conocer qué distancia focal se le debe dar a la lente, para que después de que los rayos se refracten, se enfoquen. Sus unidades son las dioptrías (D).




Lentes convergentes
En las lentes convergentes, también llamadas positivas, su espesor disminuye del centro hacia los bordes, así que el centro es más grueso que su orilla. Hay tres tipos: lente biconvexa, plano convexa y mencanismo convergente.
En todas las lentes se cumple que:
Todo rayo paralelo al eje principal pasa por el foco después de refractarse.
Todo rayo que pasa por el centro óptico no se desvía.

Formación de imágenes en lentes convergentes
Dependiendo de la posición del objeto frente a la lente convergente, se forman cinco tipos de imágenes:

Caso 1. Objeto colocado despues de la doble distancia focal
Cuando el objeto se coloca a una distancia mayo a doble de la distancia focal, la imagen será real, invertida, de menor tamaño, formada en el otro lado de la lente y localizada entre el foco y la doble distancia focal.

Caso2. Objeto colocado en la doble distancia focal.
Si el objeto se coloca en la posición que le corresponde a la doble distancia focal, la imagen será real, invertida, de igual tamaño que la original y localizada justamente en el punto del otro lado de la lente.

Caso3. Objeto colocado entre la doble distancia focal y el foco.
Cuando el objeto es colocado entre el foco y la doble distancia focal, la imagen será invertida, de tamaño mayor a la original y localizada justamente después de la doble distancia focal del otro lado de la lente.

Caso 4. Objeto colocado en el foco.
Cuando se coloca el objeto en uno de sus focos no hay formación de imagen, ya que los rayos refractados no se cortan al ser paralelos entre si.

Caso5. Objeto colocado entre el foco y el eje óptico.
Si el objeto se coloca entre el centro óptico y el foco, la imagen será virtual, de tamaño mayor que el objeto, derecha y localizada en el mismo lado.

Usos de las lentes convergentes
Como con las lentes convergentes se obtiene imágenes reales de los objetos, se usan en cámaras fotográficas, proyectores de cine, entre otros, así como para corregir defectos visuales de personas que padecen hipermetropía.
Las lentes convergentes hacen que los rayos de luz sean refractados, concentrados y enfocados correctamente.



Lentes divergentes
En las lentes divergentes o negativas el espesor disminuye en los bordes hacia el centro, así que los extremos son más gruesos que éste. Se caracteriza por que los rayos paralelos al eje principal se separan al refractarse y dan la impresión de que proceden del mismo foco principal. Hay tres tipo de estas lentes: bicóncava, plano cóncava y mecanismo divergente. El uso de alguna de ellas será consecuencia del tipo de imagen que se requiera lograr o problema que se deba corregir.

Formación de imagen en lentes divergentes
Las lentes divergentes siempre producen imágenes virtuales y por tanto su distancia focal será negativa, de menor tamaño que la original y derechas.



Usos de lentes divergentes
Las lentes divergentes se montan en anteojos para corregir la miopía (visión corta). Las personas con este padecimiento enfocan los objetos cercanos, pero no los más lejanos.
El problema se debe a la excesiva curvatura del cristalino, que hace que las imágenes se formen delante de la retine. El uso de lentes divergentes tiene como función refractar los rayos, alejándolos del eje principal antes de que entren al ojo para que se enfoquen en el lugar correcto.



A continuación si te intereso el tema te presentaremos links a páginas de internet sobre el tema para que refuerces tus conocimientos:
► http://www.buenastareas.com/ensayos/Ejercicios-De-Optica-Fisica/78071.html
► http://www.fisicanet.com.ar/fisica/ondas/tp03_espejos_planos.php
► http://www.fisicanet.com.ar/fisica/ondas/tp05_lentes.php
► http://www.fisicanet.com.ar/fisica/ondas/tp06_refraccion.php


Bibliografia: Garcia Goiz Javier, "Temas de fisica"/Francisco Javier Garcia.- Mexico :FCE, SEP, DGETI,2008 374p,: ilus,;28 x 21 cm Texto de nivel media superior isBN 978-607-7523-00-0