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DISEÑO INDUSTRIAL - FISICA II Unidad I: Óptica Naturaleza de la luz

Unidad I: La luz y las leyes de la óptica geométrica

Óptica Ondas electromagnéticas. Espectro electromagnético. Espectro visible. Naturaleza corpuscular y ondulatoria de la luz. Propagación de la luz. Materiales transparentes, traslucidos y opacos. Reflexión y refracción de la luz. Dispersión y colores.

Naturaleza de la luz

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

La luz es una radiación electromagnética y comprende una pequeña parte del espectro electromagnético. Es decir, que nuestro ojo es capaz de reaccionar dentro de un intervalo del espectro, pero su reacción no es igual en todo su intervalo; hacia los bordes la sensación de luminosidad es menor y hacia el centro la sensibilidad del ojo aumenta. La mayor sensación de luminosidad se detiene para una onda electromagnética de 5550 angstrom de longitud de onda.

Energía Radiante

La energía radiante o lumínica es aquella que más frecuentemente vemos en forma de luz y que nos permite ver las cosas alrededor de nosotros. Se propaga en todas las direcciones, se puede reflejar en objetos y puede pasar de un material a otro.

La concepción moderna del color nació con el descubrimiento de la naturaleza espectral de la luz que hizo Isaac Newton en el siglo XVII.

Newton creía que la luz era un flujo de partículas. Sus experimentos con prismas de cristal demostraron que la luz se podía fraccionar en varios colores individuales. Es más, llegó a la conclusión de que las luces de distintos colores tenía diferentes grados de refracción; por ejemplo, la luz azul se desviaba más que la roja al pasar del aire a un medio con un índice de refracción mayor, como es el caso de un prisma de cristal.

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 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.

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http://acacia.pntic.mec.es/~jruiz27/interf/newton.htm

http://acacia.pntic.mec.es/~jruiz27/interf/christian.htm


Teoría corpuscular

Según esta teoría de 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 espejo 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. Para explicar el hecho de que la luz cambie la velocidad en medios de distinta densidad, Newton supuso que al pasar la luz de propagarse por aire a hacerlo por agua, los corpúsculos atraídos por el agua, eran acelerados al entrar en ella. Por tanto los corpúsculos variaban su dirección de propagación acercándose a la normal.

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

Huygens propuso que la luz consiste en la propagación de una perturbación ondulatoria del medio. Creía que eran ondas longitudinales similares a las sonoras. Se sabía que la luz puede propagarse en el vacío. Así, se inventa un medio muy sutil y de perfecta elasticidad que permita dicha propagación., al que llamó éter.

Explicaba fácilmente fenómenos como reflexión y la refracción.

Contra esta teoría se argumentaba que si era una onda debía haber fenómenos de difracción e interferencia que no se habían encontrado porque su longitud de onda es muy pequeña y que el resto lo explicaba la teoría corpuscular.

La teoría corpuscular gozó de mayor aceptación, fundamentalmente por ser apoyada por Newton, aunque en el siglo XIX acabaría imponiéndose la ondulatoria.

En cualquier movimiento ondulatorio, las magnitudes, velocidad, longitud de onda y frecuencia se relacionan por:

V = f

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Siendo

V = velocidad de propagación

= longitud de onda

f = frecuencia

Recordemos que en el vacío la rapidez de la luz es de 300.000 km/s (3.108

m/s, en otros medios la luz viaja con otras velocidades).

La frecuencia y la longitud de onda son inversamente proporcionales.

Naturaleza dual de la luz

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.

Los experimentos de Hertz pusieron de manifiesto el efecto fotoeléctrico, que consiste en la emisión de electrones con cierta energía cinética al incidir la luz de una determinada frecuencia sobre una superficie metálica. Se comprobó que un aumento de la intensidad luminosa incidente no suponía un aumento en la energía cinética de los electrones emitidos. La teoría ondulatoria no podía explicar esto.

Einstein explica esto basándose en la hipótesis cuántica de Planck (en resumen venia a decir que la energía de un oscilador atómico no puede ser cualquiera sino solo unos valores determinados.) Einstein propone en 1905 que la luz esta formada por un haz de pequeños corpúsculos que llamó cuantos de energía o fotones. La energía de la onda está concentrada en los fotones, no está distribuida por toda ella. Resucita así una especial teoría corpuscular. Rechaza la existencia del éter. La luz puede propagarse en el vacío.

E = h·f ( h cte de Planck = 6,626 · 10 -34 J·s; f = frecuencia de la luz; E = Energía de los cuantos

En la actualidad se sostiene que la luz tiene una doble naturaleza, corpuscular y ondulatoria. Se propaga mediante ondas electromagnéticas y presenta fenómenos típicamente ondulatorios, pero en su interacción con la materia en ciertos fenómenos de intercambio de energía tiene carácter

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http://acacia.pntic.mec.es/~jruiz27/interf/emwaves/emWave.html


corpuscular. Nunca manifiesta las dos condiciones simultáneamente, en un fenómeno concreto o es onda o es corpúsculo.

El espectro electromagnético

Llamamos espectro electromagnético a la secuencia de todas las ondas electromagnéticas conocidas, ordenadas según su longitud de onda o su frecuencia. Como ya sabemos la frecuencia y la longitud de onda se relacionan con la expresión

f = c / . El espectro electromagnético se representa normalmente en siete zonas que no presentan límites nítidos.

En orden decreciente de longitud de onda se habla de:

Ondas de Radiode TVde RadarMicroondasInfrarrojo (IR)LuzUltravioleta (UV)

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Rayos XRayos GammaRadiación Cósmica

Lo que percibimos como luz blanca no es más que la combinación de todos estos colores.

El espectro visible

Es la parte del espectro que nuestro ojo es capaz de captar, lo que vulgarmente conocemos como luz. Es la región más estrecha del espectro, abarca sólo las longitudes de onda comprendidas entre 10-6 m y 390 nm (frecuencias entre 3· 10 14 y 73 · 10 14 Hz). Se subdivide en los colores del arco iris:

Rojo 620 a 1000 nm

Naranja 590 a 620 nm

Amarillo 550 a 590 nm

Verde 490 a 550 nm

Azul 430 a 490 nm

Violeta 390 a 430 nm

Propagación de la luz: reflexión, refracción y camino óptico

La luz que se propaga en un medio, al llegar a la superficie de separación con otro medio, puede sufrir los siguientes fenómenos; reflexión, difusión, refracción y absorción.

Se denomina rayo a la línea que indica la dirección de propagación de la energía radiante. Son siempre perpendiculares a los frentes de onda. Son rectilíneos cuando la propagación tiene lugar en un medio isótropo.

Cuando un rayo de luz consta de varios rayos e incide sobre una superficie lisa, similar a un espejo, se refleja, como indica la figura, y todos los rayos reflejados son paralelos. La reflexión de la luz desde ese objeto liso se llama especular. Si la superficie reflectora es rugosa, la superficie reflejará los rayos en diferentes direcciones. Se conoce como reflexión difusa. Esto nos permite ver las superficies de objetos que no emiten luz propia y que de otra manera no percibiríamos Una superficie se comportará como una superficie pulida si las variaciones

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superficiales son pequeñas en comparación con la longitud de onda incidente.

Consideremos los dos tipos de reflexión que pueden observarse desde una superficie de la carretera mientras se conduce un coche en la noche. Cuando está seca y rugosa la luz que proviene de otros vehículos que se aproximan se dispersa fuera de la carretera en diferentes direcciones, haciendo el camino claramente visible. En una noche lluviosa, las irregularidades del camino se llenan de agua, haciendo la superficie pulida. La reflexión resultante es especular y dificulta la visión del camino

Los medios pueden ser:

- Transparentes: si deja atravesar la luz y los cuerpos se ven nítidamente

- Traslucidos: si la luz al pasar deja ver el objeto sin nitidez- Opaco: cuando la luz no puede atravesar el medio.

Reflexión de la luz

Cuando un rayo luminoso incide en la superficie de separación de dos medios distintos parte de la energía luminosa sigue propagándose en el mismo medio (se refleja) y parte pasa a propagarse por el otro medio con una velocidad distinta (se refracta).

Se denomina rayo incidente a aquel que representa la luz que incide sobre la superficie, rayo reflejado al que representa la fracción de energía luminosa

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reflejada y rayo refractado al que representa la fracción de energía que se propaga por el nuevo medio.

Leyes de la reflexión

1. El rayo incidente, el reflejado y la normal a la superficie se encuentran en el mismo plano llamado plano de incidencia.

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)

Refracción de la luz

Cuando una onda de cualquier tipo alcanza la superficie de separación 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 t de la onda transmitida es diferente de la longitud de onda i de la incidente, pues también cambia la velocidad de la onda en cada medio. Para el caso de una onda luminosa y recordando que la velocidad de propagación depende de la longitud de onda y de la frecuencia.

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OJO: Cuando la luz pasa de un medio a otro la frecuencia no cambia pues tan pronto como llega un frente de onda incidente surge uno refractado. Como v = f, si f no varía el cambio en la velocidad debe venir dado por la (longitud de onda).

t =

i =

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 (3.10 8 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:

n1 sen i = n2 sen r

Índices de refracción para varios materiales

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Vacío 1.00 Aire 1.0000294 Hielo 1.32 Agua 1.33 Alcohol etílico 1.36 Éter 1.36 Metacrilato 1.49 Benceno 1.50 Vidrio 1.52 Sal gema 1.54 Ácido sulfúrico 1.63 Diamante 2.42 Cuarzo 1,55 Diamante 2,43

Cuarzo 1,55 Diamante 2,43 Glicerina 1,47 Acido oléico 1,46 Benceno 1,50 Metanol 1,3286 Parafina 1,43 Jade (jadeita) 1,66 Amatista 1,54 - 1,55 Ambar 1,54 Azabache 1,66 Esmeralda 1,56 - 1,58 Fluorita 1,433

Zircón 1,98

Reflexión Total

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,

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, figura 2 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 ac =n2/ n1

Este ángulo de incidencia, ac 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.

¿Por qué puede verse mojada la carretera al mirar al horizonte?

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Cuando hace calor, la Temperatura del asfalto es bastante más elevada que la del aire. Si consideramos que el aire está dividido en capas, las cercanas al suelo tendrán una temperatura más elevada. Por tanto el aire es menos denso y su índice de refracción va disminuyendo (v va aumentando) a medida que nos acercamos al suelo.. Los rayos van sufriendo desviaciones que lo alejan de la normal y pueden llegar a curvar su trayectoria. Al observar este fenómeno desde una posición casi rasante los rayos refractados parecen provenir de una imagen especular pero en realidad es una refracción. Este es el mismo fenómeno que en los espejismos. Los rayos de luz son refractados al entrar en contacto con el tórrido suelo y lo que se está viendo es una proyección del cielo y no una laguna con agua. Podemos ver los objetos invertidos por la tendencia de nuestro ojo a pensar que la luz va en línea recta

Dispersión

Uno de los fenómenos de la luz natural es su descomposición en todos los colores del arco iris, desde el rojo hasta el violeta, cuando se refracta a través de algún material de vidrio, este fenómeno recibe el nombre de dispersión y es debido a que la velocidad de la luz en un medio cualquiera varía con la longitud de onda (el índice de refracción de un medio y por tanto la velocidad de la luz en el mismo depende de la longitud de onda. Cada color tiene una longitud de onda distinta). Así, para un mismo ángulo de incidencia, la luz se refracta con ángulos distintos para diferentes colores.

Bibliografíahttp://www.fisicanet.com.arhttp://acacia.pntic.mec.es/~jruiz27/contenidos.htm http://fisicamontpe.webs.com/http://pablo-fisicadultos.blogspot.com/

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http://fisicamontpe.webs.com/

http://www.fisicanet.com.ar/

http://acacia.pntic.mec.es/~jruiz27/dispersion/colores/colores.htm

http://acacia.pntic.mec.es/~jruiz27/dispersion/colores/colores.htm

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