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Propagación de la luz
Y dijo Dios ¨Hágase la luz
y se hizo Newton¨.
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
-
Entre más denso, menor velocidad
Rapidez (km/s)
300.000
220.000
200.000
120.000
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 llegaron 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.
Teoría Ondulatoria
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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
Imagen virtual
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).
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
Defectos de la visión
Hiperpemetropía
Miopía
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
No relevantes P.S.U.
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 PSU
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 atras del punto
focal
b) Lente que converge la luz en el punto focal
c) Lente biconcavo que diverge la lus produciendo una
imagen mas pequeña. virtual y derecha
d) Lente que situa la luz en el vertice y luego de mueve
paralelo al eje optico
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