Optica fisica



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OPTICA FISICA

Rama de la física que se ocupa de la propagación y el comportamiento de la luz. En un sentido amplio, la luz es la zona del espectro de radiación electromagnética que se extiende desde los rayos X hasta las microondas, e incluye la energía radiante que produce la sensación de visión. El estudio de la óptica se divide en dos ramas, la óptica geométrica y la óptica física.



¿Qué es la luz?

La luz es una radiación que se propaga en forma de ondas. Las ondas que se pueden propagar en el vacío se llaman ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS. La luz es una radiación electromagnética.



Características de las ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío a la velocidad de 300000 km/s, que se conoce como "velocidad de la luz en el vacío" y se simboliza con la letra c (c = 300000 km/s). 8d 29-07

Características de las ondas

Propiedades de las ondas

La velocidad de la luz en el vacío no puede ser superada por la de ningún otro movimiento existente en la naturaleza. En cualquier otro medio, la velocidad de la luz es inferior.

La energía transportada por las ondas es proporcional a su frecuencia, de modo que cuanto mayor es la frecuencia de la onda, mayor es su energía.

Las ondas electromagnéticas se clasifican según su frecuencia como puede verse en el siguiente diagrama:

La LUZ es la radiación visible del espectro electromagnético que podemos captar con nuestros ojos.



¿Qué es la luz?

La luz se define como una onda electromagnética que está compuesta por diminutas partículas llamadas fotones y que nos permite visualizar todo lo que nos rodea aportando color y sentido a la vista.

Cualquier onda dispone de 4 propiedades o características que las identifica, estas son la amplitud, la frecuencia, la velocidad y la longitud de onda. La longitud de onda es la distancia que hay entre 2 crestas o valles de la onda, la luz visible que es percibida por el ojo humano y que nos permite ver todo los que nos rodea es la parte de la onda electromagnética que tiene una longitud de onda comprendida entre 380 y 740 nanómetros, por tanto la luz tal y como la entendemos corresponde a una pequeña porción de longitud de ondas electromagnéticas que emiten fuentes luminosas como el Sol, las estrellas o las lámparas de tu casa.

Por último los fotones son las partículas fundamentales, indivisibles, sin masa ni carga que componen la luz, los fotones son como pequeñas bolitas que vibran y se comportan como una onda cuando se mueven y como una partícula cuando interacciona con algún cuerpo, siendo por tanto onda y corpúsculo al mismo tiempo.

Los colores que percibimos no son más que sensaciones que el ojo humano interpreta ante diferentes vibraciones de los fotones, por ejemplo el color rojo corresponde a 4 x 1014 vibraciones por segundo y el color azul corresponde a 6,5 x 1014 vibraciones por segundo, cuando existen un conjunto de fotones que vibran en diferentes frecuencias obtenemos una mezcla de todos los colores lo cual nos da como resultado la luz blanca.

El espectro electromagnético representa las longitudes de onda, frecuencia y energía que puede adquirir una onda electromagnética, el espectro se encuentra dividido en diferentes bandas en donde las ondas comparten ciertas características, por ejemplo tenemos la banda de rayos gamma, ultravioleta, luz visible, infrarrojos o microondas. En la banda de la luz visible quedan representados en función de la frecuencia (vibraciones por segundo) o longitud de onda la diferente gama de colores que compone la luz visible.

Este conjunto de pequeñas partículas llamadas fotones que componen la luz, teóricamente adquieren la velocidad máxima que cualquier partícula del universo puede alcanzar en el vacio , siendo aproximadamente de 3 x 10 8 m/s, es decir en 1 segundo un foton daría casi 4,5 vueltas alrededor de nuestro planeta Tierra.

Descubrimiento de la luz


Los antiguos filósofos griegos fueron los primeros en plantearse la naturaleza y origen de la luz, cuestiones como ¿porque vemos? o ¿porque una imagen cambia cuando la vemos a través del agua? intentaban ser contestadas mediante un planteamiento lógico y convincente. En el año 500 Antes de Cristo el filósofo griego Empédocles divulgó la primera teoría sobre la naturaleza de la luz, coloquialmente conocida como la teoría del faro, esta identificaba a la luz como rayos que emanaban de nuestros ojos chocando con los objetos permitiéndonos ver todo lo que nos rodea.

Tuvo que pasar 1500 años hasta que el matemático árabe Alhazen descubrió que los ojos no eran emisores de la luz sino receptores, Alhazen que disponía de una extraordinaria base matemática, fue el primer físico en investigar las propiedades de la luz como la reflexión y la refracción descubriendo que la luz se regía bajo unas leyes universales y que se podían se representadas mediante las matemáticas.

En el siglo XVII se entabló una gran batalla científica entre los diferentes físicos, matemáticos e intelectuales de la época, por un lado el gran físico y matemático Sir Isaac Newton demostró que la luz blanca está formada por un amplio rango de colores al cual llamó espectro, para ello hizo pasar un rayo de luz por un prisma, así mismo Newton afirmaba que la luz estaba formada por pequeñas partículas o corpúsculos, esta teoría corpuscular fue rechazada por otros físicos y matemáticos de la talla de Hooke o Hugens, los cuales defendían la naturaleza de la luz como una onda y no como una partícula.

Durante los siglos posteriores la teoría ondulatoria de la luz fue desplazando a la teoría corpuscular de Newton, propiedades intrínsecas de la luz como la interferencia, la reflexión, difracción y polarización eran representadas y explicadas con exactitud mediante el uso de las ondas. Pero a finales del siglo XIX el físico alemán Hertz descubrió el efecto fotoeléctrico de la luz, siendo este imposible de explicarse mediante el uso de ondas, se necesitaba partículas o corpúsculos para explicarlo.

El gran físico y matemático Albert Einstein demostró que el efecto fotoeléctrico se podía explicar mediante el uso de pequeños corpúsculos (cuantos de energía) a los que llamó fotones, posteriormente los experimentos de doble rendija realizados por Thomas Young confirmaron la dualidad onda-partícula de la luz, había nacido la física cuántica y con ella había reconciliado las 2 teorías confirmando que la luz se comportaba al mismo tiempo como una partícula y como una onda.

Naturaleza de la luz

La energía radiante tiene una naturaleza dual, y obedece a leyes que pueden explicarse a partir de una corriente de partículas o paquetes de energía, los llamados fotones, o a partir de un tren de ondas transversales (Movimiento ondulatorio). El concepto de fotón se emplea para explicar las interacciones de la luz con la materia que producen un cambio en la forma de energía, como ocurre con el efecto fotoeléctrico o la luminiscencia. El concepto de onda suele emplearse para explicar la propagación de la luz y algunos de los fenómenos de formación de imágenes. En las ondas de luz, como en todas las ondas electromagnéticas, existen campos eléctricos y magnéticos en cada punto del espacio, que fluctúan con rapidez. Como estos campos tienen, además de una magnitud,una dirección determinada, son cantidades vectoriales. Los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí y también perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. La onda luminosa más sencilla es una onda senoidal pura, llamada así porque una gráfica de la intensidad del campo eléctrico o magnético trazada en cualquier momento a lo largo de la dirección de propagación sería la gráfica de un seno.

La luz visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético. En el espectro visible, las diferencias en longitud de onda se manifiestan como diferencias de color. El rango visible va desde, aproximadamente, 350 nm (nanómetros) el violeta hasta unos 760 nm el rojo, (1 mm = 1.000.000 nanómetros). La luz blanca es una mezcla de todas las longitudes de onda visibles.

La velocidad de la luz en las sustancias materiales es menor que en el vacío, y varía para las distintas longitudes de onda; este efecto se denomina dispersión. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de una longitud de onda determinada en una sustancia se conoce como índice de refracción de la sustancia para dicha longitud de onda. El índice de refracción del aire es 1,00029 y apenas varía con la longitud de onda. En la mayoría de las aplicaciones resulta suficientemente preciso considerar que es igual a 1.

Las leyes de reflexión y refracción de la luz suelen deducirse empleando la teoría ondulatoria de la luz introducida. El principio de Huygens afirma que todo punto en un frente de ondas inicial puede considerarse como una fuente de ondas esféricas secundarias que se extienden en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda que el frente de ondas del que proceden. Con ello puede definirse un nuevo frente de onda que envuelve las ondas secundarias. Como la luz avanza en ángulo recto a este frente de ondas, el principio de Huygens puede emplearse para deducir los cambios de dirección de la luz.

Cuando las ondas secundarias llegan a otro medio u objeto, cada punto del límite entre los medios se convierte en una fuente de dos conjuntos de ondas. El conjunto reflejado vuelve al primer medio, y el conjunto refractado entra en el segundo medio. El comportamiento de los rayos reflejados y refractados puede explicarse por el principio de Huygens. Es más sencillo, y a veces suficiente, representar la propagación de la luz mediante rayos en vez de ondas. El rayo es la línea de avance, o dirección de propagación, de la energía radiante. En la óptica geométrica se prescinde de la teoría ondulatoria de la luz y se supone que la luz no se difracta. La trayectoria de los rayos a través de un sistema óptico se determina aplicando las leyes de reflexión y refracción.



Optica física

Esta rama de la óptica se ocupa de aspectos del comportamiento de la luz tales como su emisión, composición o absorción, así como de la polarización, la interferencia y la difracción.


NATURALEZA DE LA LUZ


    Una de las ramas más antiguas de la física es la óptica, ciencia de la luz, que comienza cuando el hombre trata de explicar el fenómeno de la visión considerándolo como facultad anímica que le permite relacionarse con el mundo exterior.

    Dejando de lado as 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.



3 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.

  Propagación de la luz: índice de refracción y camino óptico

     Cuando una onda de cualquier tipo alcanza la frontera de dos medios distintos, una parte de su energía se transmite al segundo medio, dando lugar en el segundo medio a otra onda de características semejantes las de la onda incidente y que recibe el nombre de onda transmitida. Otra parte de la energía se emplea en generar otra onda que se propaga hacia atrás en el primer medio y que se llama onda reflejada.

En este proceso se conserva la frecuencia de la onda, lo que implica que la longitud de onda λt de la onda transmitida es diferente de la longitud de ondaλi de la incidente, pues también cambia la velocidad de la onda en cada medio. Para el caso de una onda luminosa:

siendo f la frecuencia, y n1 y n2 los índices de refracción de cada medio. El índice de refracción de un medio es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (3.108 m/s) y la velocidad de la luz en ese medio. No tiene unidades y siempre es mayor o igual que 1.



Leyes de la refracción

Al otro lado de la superficie de separación los rayos no conservan la misma dirección que los de la onda incidente: 

1.      Cada rayo de la onda incidente y el correspondiente rayo de la onda transmitida forman un plano que contiene a la recta normal a la superficie de separación de los dos medios.

2.      El ángulo que forma el rayo refractado con la normal (ángulo de refracción) está relacionado con el ángulo de incidencia: 

. Reflexión de la luz: Ley de Snell.


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1. Cada rayo de la onda incidente y el correspondiente rayo de la onda reflejada forman un plano perpendicular al plano de separación de los medios.

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2. El ángulo que forma el rayo incidente con la recta normal a la frontera (ángulo de incidencia) es igual al ángulo de esta normal con el rayo reflejado (ángulo de reflexión)

   Cuando la luz pasa de un medio a otro cuyo índice de refracción es mayor, por ejemplo del aire al agua, los rayos refractados se acercan a la normal. Si el índice de refracción del segundo medio es menor los rayos refractados se alejan de la normal.d:\2014\fisica 8\planes de clase\optica fisica\talleres optica\reflexión total_files\refrac12.gif

En este caso si consideramos que n1>n2 y aumentamos el ángulo de incidencia, llega un momento en que el ángulo de refracción se hace igual a 90º, lo que significa que desaparece el  rayo refractado. Como el seno de 90º es uno el ángulo de incidencia para el cual ocurre este fenómeno viene dado por c=n2/ n1

    Este ángulo de incidenciac recibe el nombre de ángulo crítico, ya que si aumenta más el ángulo de incidencia, la luz comienza a reflejarse íntegramente, fenómeno que se conoce como reflexión total.

Una aplicación de la reflexión total es la fibra óptica, que es una fibra de vidrio, larga y fina en la que la luz en su interior choca con las paredes en un ángulo superior al crítico de manera que la energía se transmite sin apenas perdida. También los espejismos son un fenómeno de reflexión total.



EL SENTIDO DE LA VISTA

Los ojos son los órganos de la visión y necesitan luz para poder ver. Cuando la luz llega a ellos, mandan mensajes al cerebro y éste señala qué es lo que se está viendo.

Los ojos son más grandes de lo que aparentan ser, pues una parte de ellos está contenida en las cavidades oculares de la cara. Los ojos son esféricos y en su interior contienen un líquido que ayuda a que conserven su forma y tamaño.

La parte blanca del ojo se llama esclerótica y la que tiene color, iris. En el centro del iris está la pupila, por ella entra la luz del exterior.

Cuando una persona está en lugares poco iluminados, la pupila se hace más grande para que entre mayor cantidad de luz; pero si se encuentra en un sitio luminoso, se hace más pequeña.

Atrás de la pupila se localiza una lente clara y curva llamada cristalino que se dobla para proyectar los rayos luminosos hacia la retina. La retina es como la pared interna del ojo.

En la retina se forman las imágenes que se envían al cerebro a través del nervio óptico.

Algunas personas no ven claramente objetos cercanos a ellas y otras los que están alejados. Esto se debe a que el cristalino no se dobla como debiera; para corregir esos problemas se usan lentes.

En la retina se encuentran unas células llamadas conos y otras denominadas bastones. Los conos permiten ver los colores, mientras que los bastones sirven para distinguir la intensidad de la luz.

Cuando una persona no puede distinguir bien los colores se dice que es daltónica.

También en la retina existe una zona conocida como punto ciego, porque carece de células nerviosas.

Los ojos son órganos muy delicados que deben protegerse para evitar daños a la visión.

Las cejas y pestañas sirven para detener partículas de polvo o tierra que pudieran entrar a ellos. Asimismo, las lágrimas los mantienen húmedos y también ayudan a eliminar posibles basuras.

Para cuidar la vista, debe evitarse jugar con objetos peligrosos que pudieran lastimar los ojos, como lápices, palos, tijeras o cuchillos.

Nunca debe verse directamente al Sol porque sus rayos dañan los ojos; si una persona se encuentra en un lugar con demasiada luz, es recomendable usar lentes oscuros. Igualmente deben usarse lentes de protección si se realizan actividades que pudieran lastimarlos y nunca tallarlos con las manos para evitar que se irriten.

10. El color de los cuerpos

• El color no existe. Es una sensación fisiológica y psicológica ante un estímulo en la retina. Hay muchos animales que no ven en color.

• (*) El color depende: de la luz que incide sobre el objeto y de la propia naturaleza del objeto.

• (*) Objeto negro: si absorbe toda la radiación que le llega

• (*) Objeto blanco: si refleja toda la luz blanca que le llega.

• (*) El color observado es el resultado de la absorción selectiva de algunas frecuencias del espectro visible. El resto llega a nuestros ojos:

– Si absorbe todas las radiaciones excepto el verde, lo vemos verde al iluminarlo con luz blanca. Si se ilumina con luz roja lo veremos negro.

– Si absorbe todas excepto el rojo, lo veremos rojo al iluminarlo con luz roja o blanca, pero lo veremos negro al iluminarlo con luz amarilla (u otra que no sea roja).

• Puede ocurrir que sólo absorba un color y refleje todos los demás. Entonces lo veremos con el color complementario al absorbido. Ej. si sólo absorbe el verde, lo veremos amarillo al iluminarlo con luz blanca.

• Además: los cuerpos que emiten luz se ven del color de la luz emitida. Ej: llama, hierro al rojo, cuerpos fluorescentes o fosforescentes, etc

TALLER:


  1. ¿Qué es la Óptica física?

  2. ¿Qué es una onda?

  3. ¿Qué necesitan las ondas para propagarse?



  1. ¿Cuáles son las propiedades de las ondas? Descríbalas con precisión.




  1. ¿Cuáles eran las ideas más comunes sobre la luz?




  1. Se han formulado dos teorías sobre la luz, ¿Quiénes la formularon y cuáles son sus diferencias?




  1. En que consiste la Teoría Ondicular




  1. ¿Qué es una onda electromagnética?




  1. ¿En qué falla la teoría ondulatoria




  1. ¿Qué aporto Einstein al estudio de la luz?




  1. Según Einstein, ¿Qué es un fotón?




  1. ¿Por qué algunas radiaciones causan daño al ser humano?




  1. ¿En qué consiste el efecto fotoeléctrico




  1. ¿Qué es la dispersión y como se produce?




  1. ¿Qué es la reflexión?




  1. ¿Qué es la difracción?




  1. ¿Cuál es la importancia del color para el hombre?




  1. ¿Cómo se produce la sensación de ver el color?




  1. ¿En realidad cuantos colores percibe el ojo humano?




  1. ¿De qué está formada la luz visible?

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Física



NIVEL: GRADO CLEI 8

PROFESORES: EARLE WILSON LOPEZ GONZALEZ





NOMBRE DE LA UNIDAD

La Luz




Contenido: Reflexión de la luz, aplicación en espejos planos y curvos.




Aprendizaje esperado

Aplicar la ley de la reflexión para espejo de sección circular

Identificar tipos de espejo y el tipo de imagen que reflejan

Analizar comparativamente la reflexión en espejos planos y espejos curvos.






INSTRUCCIONES:
Conteste la Evaluación y envíela al correo del profesor

Visiten la pagina : http://www.santillana.cl/fis1/fisica1u2t2.htm

Fecha de entrega Viernes 14 de SEPTIEMBRE


EVALUACION DE FISICA FECHA:

NOMBRE COMPLETO:

CURSO:



  1. Indique en que se utilizan los espejos curvos (tres aplicaciones practicas importantes)

  2. Si te colocas frente a un espejo plano veras tu imagen




  1. Mas grande , derecha e inversa (izquierda derecha)

  2. Del mismo tamaño, derecha e inversa

  3. Más pequeña , derecha e inversa

  4. Más pequeña , invertida e inversa

3.¿Cuál de los siguientes espejos es conocido como “Convergente”

A) Cóncavo

B) Convexo

C) Plano


D) Esférico


  1. Cual(es) de la(s) afirmaciones es(son) verdadera(s) con respecto a un espejo plano?

I Producen una imagen real

II Producen una imagen virtual

III Producen inversión especular




  1. Solo I B) solo II C) solo III E ) II y II

5. Defina el concepto de reflexión y escriba sus dos leyes

6. Mencione que se entiende por imagen virtual y por imagen real

7. Explique porque el cielo es azul

8. ¿Cuántos rayos básicos son suficientes para construir una imagen en un espejo curvo?



  1. Cual(es) de la(s) afirmaciones es(son) verdadera(s) con respecto a un espejo plano?

I Producen una imagen real

II Producen una imagen virtual

III Producen inversión especular




  1. Solo I B) solo II C) solo III E ) II y II




  1. Los espejos cóncavos pueden concentrar toda la luz en un punto llamado




  1. Centro de curvatura

  2. Radio

  3. Foco

  4. Vértice



  1. Si el objeto se ubica delante de un espejo cóncavo entre el foco y el centro de curvatura , entonces la imagen será




  1. Real y derecha

  2. Real e invertida

  3. Virtual y derecha

  4. Virtual e invertida




  1. En espejos esféricos, rayos luminosos paralelos al eje óptico, al reflejarse en él se dirigen al:

A) Vértice

B) Centro

C) Foco


D) Infinito



  1. ¿Cuál de los siguientes espejos es conocido como “Convergente”

A) Cóncavo

B) Convexo

C) Plano


D) Esférico



  1. ¿Cuál de los siguientes espejos produce(n) solo imágenes derechas?

I. Planos

II. Cóncavos

III. Convexos

A) Sólo I

B) Sólo II

C) Sólo I y II

D) Sólo I y III




  1. Si una vela se sitúa justo en el foco F de un espejo curvo, entonces...




  1. Se produce una imagen del mismo tamaño

  2. La imagen es mayor que el objeto

  3. La imagen es derecha

  4. No se produce imagen




  1. Si te colocas frente a un espejo plano veras tu imagen




  1. Mas grande , derecha e inversa (izquierda derecha)

  2. Del mismo tamaño, derecha e inversa

  3. Más pequeña , derecha e inversa

  4. Más pequeña , invertida e inversa



  1. La imagen virtual se produce por la Intersección de




  1. los rayos reflejados

  2. los rayos básicos

  3. la prolongación de los rayos reflejado

  4. los rayos básicos con el eje óptico




  1. La figura siguiente representa un espejo parabólico cóncavo y la línea de puntos a su eje óptico. La flecha rellena representa un objeto que está frente a él y que emite luz monocromática (por ejemplo roja). Las flechas vacías representan posibles imágenes y el punto F el foco del espejo.

F


A)

B)

C)



D)

E)



  1. ¿Cuál de las flechas vacías representa mejor la imagen de la flecha rellena?




  1. La imagen que el espejo produce de la flecha rellena se caracteriza por ser:

I real


II invertida con relación al objeto

III de mayor tamaño que el objeto

IV de menor tamaño que el objeto

De estas afirmaciones es o son correctas:



  1. Sólo I

  2. Sólo II

  3. Sólo III

  4. I y III

  5. I, II y IV




  1. Si a partir de la posición en que se muestra la flecha rellena en la figura, se mueve hacia la izquierda, la imagen que de ella se forma en el espejo:




  1. Aumenta de tamaño

  2. Se mueve aproximándose al foco

  3. Se da vueltas

  4. Se mueve hacia la derecha hasta pasar el foco, momento en que se convierte en real

  5. Se mueve hacia la derecha hasta pasar el foco, momento en que se convierte en real



  1. Indique en que se utilizan los espejos curvos (tres aplicaciones practicas importantes)



  1. Sobre el eje óptico de un espejo cóncavo se situa una vela entre el punto focal y el espejo.

Realiza un esquema de la situación y determina en que posición se forma la imagen y que cualidades tiene

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