optica, fisica y geometrica

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Optica

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  • 1. 1PTICA FSICA Y PTICAGEOMTRICAFFssiiccaa 22 BBaacchhiilllleerraattoo

2. 2La ptica o ciencia que estudia la luz, es una de las ramas ms antiguas de lafsica.La ptica geomtrica se basa en el concepto de rayo luminoso comotrayectoria que siguen las partculas materiales emitidas por los cuerposluminosos sin preocuparse de estudiar cual es la naturaleza de la luz.La ptica fsica estudia los fenmenos luminosos e investiga cuales la naturaleza de la luz. 3. 3LA NATURALEZA DE LALUZLA NATURALEZA DE LALUZ Durante siglos se crey que la luz consista en un chorro de partculas emitidas poruna fuente luminosa Los dems cuerpos se vean debido a que se reflejan algunos de los corpsculos quelos golpean, y al llegar estas partculas al ojo, se produca la sensacin de ver. Estoexplicaba la reflexin de la luz en un espejo 4. Isaac Newton publica en 1704 su ptica y asienta el modelo corpuscular de la luzsobre las ideas de Descartes. Supone que la luz est formada por corpsculosmateriales que son lanzados a gran velocidad por los cuerpos emisores de luz.Este modelo explica y se basa en:La propagacin rectilnea de la luz: la luz estformada por pequeas partculas que viajan agran velocidad, pero no infinita, de manera quesus trayectorias rectilneas constituyen los rayosluminosos.superficie lisa como la de un espejo choca condicha superficie y se refleja del mismo modo queuna bala choca contra una placa de acero.La ley de la refraccin o cambio en la direccin dela trayectoria que experimenta la luz cuando pasade un medio a otro diferente, por ejemplo, delaire al agua. La refraccin es debida a la diferentedensidad de los medios por los que atraviesa laluz4EELL MMOODDEELLOO CCOORRPPUUSSCCUULLAARR DDEE NNEEWWTTOONNVyAireAguaVxVxVyVxVyLa ley de la reflexin: al incidir la luz en una Sus mtodos mecnicos le condujeron a conclusiones errneas, al afirmar que lavelocidad de la luz era superior en el agua que en el aire 5. 5MMooddeellooss oonndduullaattoorriioossModelo ondulatorio de Huygens En 1690 public su teora sobre la propagacin de la luz como un movimiento ondulatorioque necesitaba de un medio material llamado ter, para propagarse Desechaba la posibilidad de que se tratara de un movimiento corpuscular ya que dos hacesde luz podan cruzarse sin estorbarse Su mayor error fue considerar la ondas de luz longitudinales, como las del sonido que sepropaga en un medio aun no descubierto que llam ter. Consideraba el ter como un fluido impalpable que todo lo llena incluso donde parece no haber nada, elvaco, luego no existe el vaco ya que est lleno del ter. Considera la luz comoondas esfricas y concntricas con centro en el punto donde se origina laperturbacin (foco luminoso).La discusin entre el modelo corpuscular de Newton y el ondulatorio deHuygens fue ganada por Newton en un primer momento debido a su mayorprestigio y fama como cientfico y a que los experimentos que se conocanen aquella poca apoyaban a Newton 6. Vuelve a tomarse en consideracin la teora ondulatoria de la luz en el siglo XIX graciasa los trabajos de difraccin e interferencias con rayos luminosos de Young.Se observa que los rayos luminosos cumplen el principio de superposicin de maneraque cuando dos rayos de diferentes orgenes coinciden en la misma direccin suefecto es una combinacin (superposicin) de ambos y una vez traspasado el lugar dela superposicin siguen con su forma original, comportamiento claramente ondulatorio.Young propone que la luz est formada por ondas transversales.Malus estudia el fenmeno de polarizacin de la luz y Fresnel deduce que puesto quela luz se polariza debe ser efectivamente una onda transversal y tridimensional.6Modelo ondulatorio de Fresnel Estableci que las vibraciones en la luz no pueden ser longitudinales, sino que deben serperpendiculares a la direccin de propagacin, y por tanto transversales Basndose en este concepto enunci matemticamente la ley de la reflexinFaraday estableci una interrelacin entre electromagnetismo y luz cuandoencontr que la direccin de polarizacin de un rayo luminoso puede alterarse por laaccin de un fuerte campo magntico. Sugiri que la luz podra tener naturalezaelectromagntica. 7. 7MODELO O MODELO ONNDDUULLAATTOORRIIOO DDEE MMAAXXWWEELLLLE E E Campo elctricoB B B Campo magntico James Clerk Maxwell demostr que las ondas luminosas son electromagnticas, deltipo de las ondas de radio, y no necesitan medio alguno para propagarse La frecuencia de las ondas luminosas es mucho mayor que las de radio, eimpresionan la retina del ojo1= ce .mHertz produce por primera vez ondas electromagnticas (luz) a partir decircuitos elctricos alternos y realiza con ellas reflexin, refraccin e interferencias. 8. 8EEFFEECCTTOO FFOOTTOOEELLCCTTRRIICCOOFotn e- Consiste en la obtencin deelectrones libres de unmetal cuando sobre esteincide un haz de luz Un aumento de la intensidadluminosa no supona unincremento de la energacintica de los electronesemitidos La luz interacciona con los electrones de la materia en cantidades discretas que sedenominan cuantos La energa de un cuanto es: E = h n siendo n la frecuencia y h la constante de Planckcuyo valor es h = 6,62 . 10-34 J.sEinstein rechaza la existencia del ter y admite que la luz se propaga en elvaco con una velocidad de 3.108 m/s 9. La luz se debe a la oscilacin de las cargas elctricas que forman la materia, es unaperturbacin electromagntica que se propaga en forma ondulatoria transversal en elvaco. Una onda electromagntica se produce por la variacin en algn lugar del espaciode las propiedades elctricas y magnticas de la materia.La luz se debe a la oscilacin de las cargas elctricas que forman la materia, es unaperturbacin electromagntica que se propaga en forma ondulatoria transversal en elvaco. Una onda electromagntica se produce por la variacin en algn lugar del espaciode las propiedades elctricas y magnticas de la materia.9NATURALEZA NATURALEZA CCOORRPPUUSSCCUULLAARR DDEE LLAA LLUUZZ Para observar la presin luminosa se sitan dos espejos planos en los extremos deuna barra suspendida por su centro y orientados en sentidos opuestos Se hace incidir dos haces de luz de gran intensidad produciendo un giro, de modo quese puede calcular el valor de la presin que la luz ejerce sobre los espejos Esto demuestra que la luz se comporta en ocasiones como una partculaLouis de Broglie afirm en 1922 que la luz tiene doblenaturaleza: ondulatoria y corpuscular 10. OOnnddaass ddee rraaddiioo IInnffrraarrrroojjooss UUllttrraavviioolleettaa RRaayyooss ggaammmmaa10EL ESPECTROELECTROMAGNTICOEL ESPECTROELECTROMAGNTICOLuzvisible Las ondas electromagnticas difieren entre s en su frecuencia y en su longitud deonda, pero todas se propagan en el vaco a la misma velocidad Las longitudes de onda cubren una amplia gama de valores que se denominaespectro electromagnticoMMiiccrroooonnddaass RRaayyooss XX 11. INDICE DE REFRACCIN: es la relacin que existe entre la velocidad de laluz en el vaco y la velocidad de la luz en un determinado medio.1,4511NNDDIICCEE DDEE RREEFFRRAACCCCIINNn = cndice de refraccin de algunassustanciasAireAguaAceiteVidrio para botellasVidrio crown ligeroVidrio flint ligeroCristalinoCuarzoDiamanteNailon 661,001,331,521,541,581,441,542,421,53v Puede definirse el ndice den n2refraccin relativo entre dosmedios como: n12,1 =tomndose en general al vaco como medio 1La velocidad de la luz en el vaco es igual a3.108 m/s; y es la velocidad mxima que existe.Un ndice de refraccin pequeo indica una velocidadgrande.El ndice de refraccin del aire se puede tomar como 1 yaque la velocidad de la luz en el aire es aproximadamenteigual que en el vaco.Medios Istropos: tienen igual ndice de refraccin en todaslas direcciones.Medios Anistropos: tienen diferente ndice de refraccinsegn la direccin que se tome. 12. EELL PPRRIINNCCIIPPIIOO DDEE FFEERRMMAATTPRINCIPIO DE FERMAT O PRINCIPIO MNIMO: La naturaleza tiende siempre a actuarpor los caminos ms cortos. Dicho principio establece que cuando la luz se desplaza de unpunto a otro lo hace siempre por el camino ms corto (la lnea recta).En un medio homogneo e istropo la trayectoria de la luz es rectilnea y suvelocidad es constante. El espacio que recorre la luz en los distintos medios depende de su velocidad de12propagacin y de su ndice de refraccin Siendo t el tiempo que tarda la luz en ir desde un punto A a otro B, separados unadistancia r en un medio, se cumple que: r = v t 13. 13REFLEXIN REFLEXIN YY RREEFFRRAACCCCIINN DDEE LLAA LLUUZZRayo incidenteai aiRayo refractadoRayo reflejadoFocoNSABri rirrOarTanto en la reflexincomo en la refraccin,el rayo incidente, lanormal y los rayosreflejados o refractadosse encuentran en elmismo plano. 14. el rayo de luz llega a la separacin de dos mediosy sale rebotado. La reflexin es el fenmeno por el cual el rayo incidente sigue propagndose por el14RREEFFLLEEXXIINNRREEFFLLEEXXIINN EESSPPEECCUULLAARR RREEFFLLEEXXIINN DDIIFFUUSSAANormalesRayoincidenteSuperficieregularNormalesRayoreflejadoSuperficieirregularmedio de incidencia. Este fenmeno permite ver objetos no luminosos Dependiendo del tipo de superficie, lisa o irregular, la reflexin ser especular, o difusaRayoreflejadoEn cualquier caso, el ngulo que forma el rayo incidente conla normal (ai), es igual al formado por la normal y elreflejado (ar) 15. RREEFFRRAACCCCIINN La refraccin es la desviacin que experimenta la direccin de propagacin de laluz cuando pasa de un medio a otro en el que su velocidad es distinta Esta ley fue la enunci Willebord Snell, astrnomo y matemtico holands en 1620i = = =15Ley de Snell: Cuando la luz pasa de un medio de ndice derefraccin ni a otro medio de ndice de refraccin nr, losngulos de incidencia ai y de refraccin ar cumplen la relacin:ni sen ai = nr sen arRayo incidente Rayo incidenteN NMedio 1 Medio 1Medio 2 Medio 2Rayo refractado Rayo refractadoLa luz se propaga msrpido en el medio 2 queen el 1 (n2 menor que n1)La luz se propaga msrpido en el medio 1 queen el 2 (n1 menor que n2)V12sen i =sen Vr21c n12v12//sen sen nnc nvr 16. Un rayo de luz se