Presentación de ondas y luz más ejercicios

Clases y ejercicios de ondas luz

1. ONDAS III: La Luz Nancy Contalba Araya Profesora de Física Curicó

2. Óptica Estudia la naturaleza de la luz, sus fuentes de producción, su propagación y los fenómenos que experimenta y produce. Estudiaremos la óptica física (naturaleza y fuentes) y óptica geométrica (formación de imágenes en espejos y lentes)

3. DESARROLLO HISTÓRICO Enunciada por Sir Isaac Newton (S. XVII aprox), quien formula que la luz estaba formada por pequeños corpúsculos (partículas) emitidos por los cuerpos luminosos que podían penetrar las sustancias transparentes . Explica fenómenos de refracción : obedecía las leyes de la mecánica). Fenómenos de reflexión : la luz al reflejarse en las superficies de los cuerpos opacos. Se utilizó para explicar la propagación rectilínea de la luz. Teoría corpuscular

4. Teoría ondulatoria Iniciada por Christian Huygens , quien asumía que la luz estaba formada por ondas semejantes a las del sonido ( ondas longitudinales ), explicando en ese entonces (1668 aproximadamente publicó su teoría). Explicaba los fenómenos de reflexión, refracción y doble refracción recientemente descubierto, entrando en contradicción con Newton. Thomas Young y Augustin Fresnel enuncian una nueva teoría ondulatoria.

5. Thomas Young y Augustin Fresnel, según su teoría, la luz estaba formada por ondas semejantes a las que se forman en una cuerda en vibración ( ondas transversales) y que eran emitidas por los átomos excitados de los cuerpos luminosos. Se explican los fenómenos de interferencia, difracción y polarización.

6. James Clero Maxwell, sostiene (1873) que la luz está constituida por ondas transversales de naturaleza electromagnética provocada por alteraciones del campo eléctrico y magnético de los átomos de los cuerpos luminosos. Heinrich Hertz (1887) experimentalmente, utilizando un circuito eléctrico oscilante, determinó que las ondas electromagnéticas tienen un comportamiento semejante a las ondas de luz, demostrando además que tenían igual velocidad de propagación en el vacío con lo cual concluyó que las ondas electromagnéticas y las de la luz tenían igual naturaleza.

7. Teoría de los Cuantos Propuesta por Max Planck (1900), ante la imposibilidad de explicar fenómenos de fotoelectricidad y efecto fotoeléctrico, esta es una teoría confirmada por Albert Einstein (1905). Esta teoría considera que la energía transportada por una onda transversal electromagnética no está distribuida en forma continua, sino que en paquetes o corpúsculos energéticos llamados fotones. Esto es lo que da paso a la conclusión de que la luz presenta una naturaleza dual, es decir, cuando se propaga (fenómeno de propagación) se comporta como una onda transversal electromagnética; pero cuando interacciona con la materia en procesos de absorción y emisión mutua, presenta caracteres corpuscular (fotones).

8. Fenómenos ondulatorios de la luz Cuando la luz se refleja lo hace siguiendo la “ Ley de la reflexión ”, es decir , la medida del ángulo de incidencia es igual a la medida del ángulo de reflexión . 1) Reflexión La luz es una onda electromagnética y transversal. En medios transparentes y homogéneos la luz viaja en línea recta. Viaja más lento mientras el medio sea más denso . En este caso, puede ser transmitido a través del medio o reflejado (o ambas cosas). Existen 2 tipos de reflexión, según cómo sea la superficie donde incide la luz.

9. Reflexión especular: Cuando la luz llega en forma de rayos paralelos incidiendo sobre una superficie plana y muy lisa, los rayos reflejados son también paralelos Reflexión difusa : Si la superficie es rugosa, los rayos reflejados salen en todas las direcciones , porque la normal en diferentes puntos puede ser distinta, produciéndose una reflexión difusa

10. Principio de Fermat y la ley de reflexión El principio de Fermat es otra manera de expresar la ley de Reflexión, ya que este principio dice que un rayo de luz al viajar de un punto a otro, siempre lo hará por el camino que le tome menos tiempo. La luz, al encontrarse con un medio mas o menos denso, se refracta y se refleja en distinta medida, dependiendo del medio.

11. Recuerda que la refracción es el cambio en la dirección de propagación que experimenta una onda, cuando se transmite de un medio a otro diferente. N Si el rayo de luz incide con un ángulo distinto de 90º sobre la interfaz, se produce refracción. Si el rayo de luz incide perpendicular (90º) sobre la interfaz, la luz se transmite pero no re refracta (no cambia su dirección de propagación) 2) Refracción

12. “ Un haz luminoso experimenta refracción si cambia su velocidad y la dirección de propagación simultáneamente al pasar de un medio a otro de distinto índice de refracción.” Experimentalmente pueden establecerse las dos leyes siguientes que rigen este proceso : − El rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en un mismo plano. − Ley de Snell: “la razón entre los senos de los ángulos de incidencia y de refracción es constante para un mismo par de medios” Ley de refracción de la luz La causa de los cambios en la dirección y/o de velocidad que experimenta la luz en un medio se atribuye a una características de medios transparente llamada refringencia o poder refringente. Esto está en directa relación con el índice de refracción del medio, donde se cumple la siguiente ley.

13. Esto es Pero en términos de la velocidad esto es: siendo v1 y v2 las velocidades de la luz en los medios de índice de refracción n1 y n2, respectivamente. Nota: la velocidad de la luz en un medio de índice de refracción absoluto n está dada por v = c/n donde c = 3E8 m/s (velocidad de la luz en el vacío)

14. Lo importante aquí es la relación entre los ángulos de incidencia y refracción, la relación de cada medio y las velocidades Si, ↑ θ i n1 debe ser ↓ y la v1 ↑ Si, ↓ θ r n2 debe ser ↑ y la v2 ↓

15. − Si un rayo luminoso, pasa oblicuamente de un medio de menor índice de refracción absoluto a otro de mayor índice de refracción absoluto, se refracta acercándose a la normal. − Si un rayo luminoso pasa oblicuamente de un medio de mayor índice de refracción absoluto a otro de menor índice de refracción absoluto, se refracta alejándose de la normal. Aire  Agua n1 < n2 ACERCA Agua  Aire n1 > n2 ALEJA ¿cómo se relaciona esto con la variación de densidad?

16. Ángulo límite o crítico Refracción en la atmósfera terrestre Cenit: vertical sobre el observador OCURRE SÓLO CUANDO: Agua  Aire n1 > n2

17. La luz , como toda onda, tiene la capacidad de rodear un obstáculo que se encuentre en su trayectoria, es decir, presenta “ difracción ”. En la figura, la luz es capaz de “rodear” los bordes de los objetos creando zonas de “umbra” y “penumbra”. Zona de umbra (sombra) Zona de penumbra ( casi - sombra) 3) Difracción

18. ¿Luz + luz = sombra? Thomas Young, en 1801, realizó el experimento de la doble rendija. Con esta experiencia se pudo demostrar que la luz era una onda , y se podía interferir constructiva y d estructivamente . Experimento de la doble rendija Zonas de luz (interf. constructiva) y oscuridad (interf. destructiva) que se pueden ver en la pantalla. 4) Interferencia

19. La mayor parte de los haces luminosos están formados por mezclas de rayos. Físicamente cada rayo corresponde a una longitud de onda distinta . Esto implica que cuando un haz luminoso atraviesa de un medio a otro, no todos los rayos serán refractados con el mismo ángulo . Lo anterior se debe a que el medio material le presenta un mayor índice de refracción a los rayos con menor longitud de onda y viceversa . 5) Dispersión Mientras que la velocidad, en el vacío, es la misma para todas las longitudes de onda, no ocurre lo mismo cuando se está en un medio material; cada rayo tiene una velocidad distinta.

20. Un ejemplo de dispersión es el arcoiris Podemos decir, entonces, que la velocidad del rayo dependerá de su longitud . Se dirá que un medio produce dispersión cuando presenta esta propiedad.

21. La sustancia de que esta hecho el prisma tiene un índice de refracción distinto para cada color y por supuesto, una desviación (ángulo de refracción) distinta para cada color. El color menos desviado es el rojo y el más desviado el violeta. En ese mismo orden decrecen las longitudes de onda de modo que a mayor longitud de onda corresponde menor desviación ( a mayor longitud de onda, una misma sustancia ofrece menor índice de refracción ).

22. Al ser iluminados, los cuerpos absorben algunas ondas y reflejan otras. Esto produce que percibamos los colores . Si el cuerpo es capaz de reflejar todas las ondas lo veremos blanco , si las absorbe todas lo veremos negro . La absorción produce un aumento de temperatura en el cuerpo . Absorción o reflexión de la luz

23. Se denomina espectro electromagnético al conjunto de ondas electromagnéticas. En la figura, a continuación, se han representado las longitudes de onda en relación al tamaño de cosas que nos son familiares , en alguna medida. Se ha indicado el nombre que tiene cada radiación que, por supuesto , es luz. Espectro Electromagnético

24. óptica Geométrica

25. ESPEJOS Los espejos son superficies pulidas que reflejan en forma ordenada hasta el 100% de la luz que incide sobre ellos. La luz que rebota en los espejos nos permite ver un reflejo de la imagen de los objetos. Los espejos se dividen en planos y esféricos (cóncavos y convexos).

26. Definición de imagen Se dice que un punto P' es la imagen de un punto P , cuando un haz luminoso procedente de P concurre en P' . Si los rayos, que concurren en P' son realmente los rayos reflejados, hablamos de imagen real . Si los rayos que concurren en P' son prolongaciones de los rayos reflejados, se habla de imagen virtual , ya que no tiene existencia real (la luz no pasa realmente por P', pero los rayos reflejados se comportan como procedentes de P '). Siempre las imágenes virtuales serán derechas y las reales serán invertidas , tanto en espejos como en lentes.

27. Son de superficie pulida y plana. Estos espejos forman un reflejo idéntico al objeto que está frente a ellos. La imagen formada por estos espejos siempre es: virtual, derecha y de igual tamaño que el objeto . La distancia objeto – espejo y la distancia imagen – espejo es siempre la misma. Imágenes en espejos planos

28. Estos son dos espejos planos que se ubican en cierto ángulo y entre ellos un objeto. El número de imágenes forman se calcula así: Espejos angulares

29. Son superficies lisas y brillantes con forma semi-esférica. Si la superficie reflectante se encuentra en la cara interna de la semi-esfera el espejo se denomina “ cóncavo ”. Si la superficie reflectante corresponde a la cara externa de la semi-esfera, se denomina “ convexo ”. Imágenes en espejos esféricos Convexo Cóncavo

30. Elementos de un espejo esférico C : Centro de curvatura del espejo. Corresponde al centro de la esfera que da origen al espejo. F : Foco. Punto medio entre el centro de curvatura y el espejo. V : Vértice. Punto en donde el eje óptico corta al espejo. C F R R/2 R/2 Eje óptico o Eje focal V

31. Los “rayos notables” son cuatro rayos de luz que tienen la característica de reflejarse siguiendo siempre un mismo comportamiento, lo que nos permite conocer la dirección que estos rayos seguirán, luego de rebotar sobre la superficie del espejo. 1 er rayo notable : Rayo que viaja en dirección al foco y se refleja paralelo al eje óptico. Rayos notables en espejos esféricos

32. 2º rayo notable : Rayo que viaja paralelo al eje óptico y se refleja en aquella dirección que pasa por el foco. 3 er rayo notable : Rayo que viaja en dirección al centro de curvatura y se refleja devolviéndose por la misma trayectoria. Rayos notables en espejos esféricos

33. 4º rayo notable : Rayo que incide en el vértice del espejo. Se refleja siempre siguiendo la ley de reflexión. Cabe destacar que se puede Formar una imagen con tan solo 3 de los 4 rayos notables. Rayos notables en espejos esféricos

34. Espejo convexo o divergente Los espejos convexos tienen múltiples usos en la vida cotidiana; por ejemplo, los espejos retrovisores de los vehículos son convexos, o los que se ubican a la salida de los estacionamientos. Se utilizan pues permiten tener un mayor campo visual, aunque las imágenes tienen una proporción y distancia diferente a como son realmente .

35. En este tipo de espejos los rayos no convergen en un punto focal, sino que se alejan unos de otros , motivo por el cual también son llamados espejos divergentes , pero si prolongamos los rayos reflejados por el espejo, notaremos que aquellos se juntan detrás de él, motivo por el cual se dice que tiene un foco virtual. Aquello es válido para todos los espejos convexos.

36. La imagen que se forma en un espejo esférico se encuentra trazando dos de los cuatro rayos notables que ya conocemos. Espejo convexo : cualquiera sea la posición del objeto frente al espejo, siempre formará una imagen virtual, derecha y de menor tamaño . Fíjate en la imagen del fotógrafo: Imágenes en un espejo convexo o divergente

37. Espejos cóncavo o convergente En el caso de los espejos cóncavos, estos tienen ciertas propiedades, la más importante es que en ciertas condiciones ellos pueden concentrar toda la luz en un solo punto denominado foco (F) o punto focal, por ese motivo se les conoce como espejos convergentes , pues hacen que la luz converja en el foco . Convergente: los rayos llegan a un punto

38. En los espejos cóncavos, el tipo de imagen que se forma dependerá de la distancia a la que se coloque el objeto frente al espejo; hay cinco posibilidades. 1) El objeto se encuentra más atrás del centro de curvatura, es decir, entre C y el infinito: Imágenes en un espejo cóncavo La imagen que se forma será real, invertida y de menor tamaño que el objeto.

39. 2) El objeto se encuentra justo en el centro de curvatura del espejo: La imagen que se forma será real, invertida y de igual tamaño que el objeto. Imágenes en un espejo cóncavo

40. 3) El objeto se encuentra entre el centro de curvatura y el foco: La imagen que se forma será real, invertida y de mayor tamaño que el objeto. Imágenes en un espejo cóncavo

41. 4) El objeto se ubica justo en el foco del espejo: ¡¡No se forma imagen!! Es decir, el foco es un “punto ciego” del espejo cóncavo. Imágenes en un espejo cóncavo

42. 5) El objeto se ubica entre el foco y el vértice del espejo: La imagen que se forma es virtual, derecha y de mayor tamaño que el objeto. Imágenes en un espejo cóncavo

43. Imágenes en espejos esféricos Espejo cóncavo Si el objeto se encuentra Su imagen será Entre C y el infinito Invertida, real y de menor tamaño En C Invertida, real y de igual tamaño Entre C y F Invertida, real y de mayor tamaño En F No se produce imagen Entre F y V Derecha, virtual y de mayor tamaño Espejo convexo Si el objeto se encuentra Su imagen será En cualquier posición Derecha, virtual , de menor tamaño

44. Refracción de la luz La refracción de una onda es la flexión que sufre cuando entra en un medio con velocidad de propagación diferente. La refracción de la luz, cuando pasa de un medio de propagación rápido a otro mas lento, dobla el rayo de luz en dirección a la normal a la superficie de contacto entre ambos medios. La cantidad de difracción depende de los índices de refracción  de los dos medios y se describe cuantitativamente por la ley de Snell. La refracción es la responsable de la formación de imágenes por las lentes y el ojo.

45. Lentes Las lentes son medios transparentes limitados por dos superficies, siendo curva al menos una de ellas .

46. Diferencia Divergentes Convergente

47. Son aquellas lentes que poseen la superficie central hundida. Al mirar un objeto a través de estas lentes la imagen que siempre se ve es más pequeña, derecha y virtual que el objeto. Lentes divergentes

48. Son aquellas en que la parte central es más gruesa. Por ejemplo, una lupa es una lente convergente. Eje óptico o Eje focal Centro 1 Foco 1 R/2 R/2 vértice R/2 R/2 Foco 2 Centro 2 Lentes convergentes

49. La imagen que se forma depende de si el objeto está más cerca o más lejos de la lente. Imagen en Lentes convergentes

50. Lente convergente (biconvexa) Si el objeto se encuentra Su imagen será Entre C y el infinito Invertida, real y de menor tamaño En C Invertida, real y de igual tamaño Entre C y F Invertida, real y de mayor tamaño En F No se produce imagen Entre F y V Derecha, virtual y de mayor tamaño Lente divergente (bicóncava) Si el objeto se encuentra Su imagen será En cualquier posición Derecha, virtual , de menor tamaño Imagen en lentes delgadas

51. Si te fijas, las características de las imágenes producidas por los espejos convexos y las lentes divergentes son iguales , y las de los espejos cóncavos y las lentes convergentes también son las mismas . Sin embargo, es importante que recuerdes que en los espejos actúa la reflexión de la luz, mientras que en las lentes , la refracción .

52. OJO

53. El ojo La mayor parte de la refracción en el ojo, tiene lugar en la primera superficie, ya que la transición desde el aire hasta la córnea, supone el mayor cambio que experimenta la luz en el índice de refracción. Alrededor del 80% de la refracción ocurre en la córnea y alrededor del 20% en el interior de la lente cristalina. Aunque la lente interior representa la porción mas pequeña de la refracción, constituye el órgano capaz de acomodar el foco del ojo para la visión de los objetos cercanos. En un ojo normal, la lente interior puede cambiar la longitud focal  total del ojo en un 7-8%. Los defectos del ojo común se llaman a menudo "errores de refracción", y pueden ser corregidos  normalmente por simples lentes de compensación.

54. miopía Condición en la cual los rayos de luz paralelos que inciden al ojo forman un punto de enfoque delante de la retina. La miopía dura toda la vida y se corrige con una lente esférica con poder negativo (cóncava ).

55. Síntomas de la miopía No ve de lejos. Dolor de cabeza (en las doscientas, sien y sien). Se acercan demasiado las cosas (o a las cosas). Efecto estenopeico ("arrugar" los ojos). Pupilas grandes (midriasis). Cabe señalar que en ojos claros las pupilas tienden a verse más grandes. Buena vista de cerca. Más dificultad al ver en la oscuridad .

56. Hipermetropía Condición en la cual los rayos de luz paralelos que inciden al ojo forman un punto de enfoque virtual detrás de la retina. Se corrige con una lente esférica convexa.

57. Características D ependiendo del grado de la hipermetropía, los pacientes pueden "ver bien" de lejos, que en realidad significa que solo ven mejor de lejos que de cerca. No tienen visión del todo clara y pueden desarrollar ambliopía. Dolor de cabeza en las sienes. Dolor ocular y ojo enrojecido (es más común que en la miopía). Los adultos tienden a abrir más el ojo a la hora de alejarse un objeto para verlo mejor .

58. Astigmatismo Problema en el cual los rayos paralelos incidentes al ojo producen dos o más puntos de enfoque. En términos generales, los pacientes con astigmatismo tienen fotofobia (sensibilidad a la luz, les molesta la luz).

59. Síntomas Dificultad de enfoque. Fotofobia. Sueño. Dolor de cabeza en la parte frontal y en las sienes. Dolor ocular. Sensación de ardor ("limón en los ojos"). Puede presentar ambliopía El astigmatismo se corrige con una lente cilíndrica o tórica, que tiene dos meridianos de diferente curvatura.

60. FIN

61. Clasificación de los fenómenos ópticos ÓPTICA GEOMÉTRICA FÍSICA CUÁNTICA La luz se considera constituyendo rayos luminosos La luz se considera como un fenómeno ondulatorio. Ondas La luz se considera como una combinación de ondas y corpúsculos. Fotón Reflexión Refracción Dispersión Difracción Interferencia Polarización Efecto Fotoeléctrico

62. La luz y sus características Es un tipo de energía que nos permite ver los objetos que nos rodean . La luz proviene de una “ fuente de luz ”.

63. Clasificación de las fuentes de luz Respecto de la naturaleza del cuerpo que emite la luz, tendremos : 2 . Fuentes artificiales Aquellas fuentes que emiten luz mediante la intervención del hombre . 1. Fuentes naturales Aquellas fuentes que emiten luz sin la intervención del hombre.

64. 2) Respecto de la forma de emisión , tendremos: 1. Fuentes primarias Aquellas fuentes que emiten luz propia. 2 . Fuentes secundarias Aquellas fuentes que solo reflejan la luz emitida por algún otro cuerpo .

65. Clasificación de los cuerpos 1. Transparentes 2. Translúcidos 3. Opacos

66. Clasificación de los cuerpos según la Óptica Desde el punto de vista de la transmisión de la luz , se los clasifica en: Cuerpos transparentes son los que dejan pasar la luz permitiendo ver en forma nítida los cuerpos ubicados detrás de ellos, por ejemplo el aire, el vidrio, etc. Cuerpos translúcidos son los que dejan pasar la luz sin permitir ver los cuerpos ubicados detrás de ellos, por ejemplo el papel, las telas, etc. Cuerpos opacos son los que no dejan pasar la luz como metales, madera, etc. Entre los cuerpos opacos existen algunos con la cualidad de reflejar casi la totalidad de la luz que reciben , son los cuerpos reflectores .

67. Naturaleza de la luz Isaac Newton Christian Huygens Albert Einstein B C A A)Teoría ondulatoria B)Teoría corpuscular C)Teoría dual