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FÍSICA: 2º BACHILLERATO
Bloque III: Óptica
Naturaleza de la luz.
1671. Según la teoría corpuscular (Isaac Newton) Supone que la luz está formada por partículas materiales, que llamó corpúsculos que son lanzados gran velocidad por los
cuerpos emisores de luz. Sus métodos mecánicos le condujeron a conclusiones erróneas, al afirmar que la velocidad de la luz era superior en el agua que en el aire
1678,Segúnla teoría ondulatoria (Christian Huygens) la luz es una onda (energía). 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. Se inventa un medio muy sutil y de perfecta elasticidad
que permita dicha propagación. Se le llama éter
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 corpuscular. Nunca manifiesta las dos
condiciones simultáneamente, en un fenómeno concreto o es onda o es corpúsculo.
La luz no se propaga igual en todos los medios, depende de las características del medio.
El índice de refracción (n) de un medio es el cociente entre la velocidad de propagación de la onda luminosa en el vacío y la velocidad de propagación de la onda luminosa en
el medio correspondiente.
n=c/v , donde c=3·108 m/s
Cálculo de la velocidad de la luz
Durante mucho tiempo se pensó que la velocidad de la luz era infinita. Galileo supuso que la
velocidad de la luz era finita pero muy elevada e intentó medirla con observadores con focos
luminosos pero fracaso porque la velocidad de reacción de estos era muy inferior a la de la luz. La
velocidad de la luz fue calculada por primera vez por Olaf Römer (1675) y posteriormente por
Fizeau (1849)
James Clerk Maxwell demostró que las ondas luminosas son electromagnéticas, del tipo de las
ondas de radio, y no necesitan medio alguno para propagarse
Reflexión
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 reflejada y rayo refractado al que representa la fracción de energía que se propaga por el nuevo medio.
Se puede demostrar experimentalmente que el rayo incidente, el reflejado y la normal a la superficie se encuentran en el mismo plano llamado
plano de incidencia.
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 superficiales son
pequeñas en comparación con la longitud de onda incidente.
Polarización de la luz
La polarización solo puede presentarse en los movimientos
ondulatorios de vibración transversal.
Es una propiedad exclusiva de las ondas transversales que
consiste en la vibración del campo eléctrico y del magnético en
una dirección preferente sobre las demás.
En general las ondas electromagnéticas no están polarizadas, lo
que significa que el campo eléctrico y el magnético pueden vibrar
en cualquiera de las infinitas direcciones que son perpendiculares
a la dirección de propagación.
Se produce la polarización cuando se consigue que la vibración se
realice en una dirección determinada.
Para estudiar el fenómeno, se observa la dirección de vibración
del campo eléctrico pues el magnético, por ser perpendicular al
eléctrico y a la dirección de propagación, queda fijado
automáticamente.
Láminas plano paralelas
En la primera superficie aplicando la ley de Snell para la refracción:
n·senε1=n’·senε’1
En la segunda superficie aplicando la ley de Snell para la refracción:
n’·senε’2=n·senε2
Tenemos como resultado que el ángulo de incidencia ε1 y el ángulo de salida ε2 son iguales: ε1=ε2
Existe un desplazamiento d, al pasar
el rayo de luz por la lámina plano
paralela, debido a la doble refracción
sufrida por dicho rayo
Prismas ópticos
donde:
ε1: ángulos de incidencia
ε1’: ángulo de refracción de la primera cara
ε2’: ángulo de refracción de la segunda cara
ε2: ángulo de salida
Refracciones en las caras del prisma:
Primera cara: n·senε1=n’·senε’1
Segunda cara: n’·senε’2=n·senε2
α: ángulo del prisma o ángulo de refrigencia=
ε1’+ε2’
δ: ángulo de desviación: ε1+ε2-α
Caso particular: rayo interno paralelo al plano inferior del prisma: en este caso:
Los ángulos de incidencia y salida: ε1=ε2
Los ángulos refractados: ε1’=ε2’
Dispersión de la luz en un prisma:
CONVENIO DE SIGNOS
Normas DIN
OY
Y>0
La dispersión de la luz es la separación de un
rayo de luz en sus componentes debido a su
diferente índice de refracción.
La luz blanca está formada por una mezcla de
luces de diversos colores y cada color
corresponde a una determinada longitud de
onda, siendo el extremo del espectro luminoso
visible (mínima frecuencia) el rojo y el otro
extremo el violeta.
Propagación
s<0
•
F’
•
F
f ’<0
Y’<0
OX
f>0
 Las magnitudes que hacen referencia a la imagen son las mismas que las referidas al
objeto añadiéndoles el signo <<prima>>
 La luz siempre se propaga de izquierda a derecha
 En la dirección OX, las distancias son positivas hacia la derecha del vértice del sistema
óptico, y negativas en caso contrario
 En la dirección OY, las magnitudes medidas por encima del eje óptico son
positivas, y las medidas por debajo, negativas
Dioptrios:
Un dioptrio es una superficie que separa dos medios de distinto índice de refracción.
Ecuaciones de un dioptrio:
n2 n1 n2  n1
 
s2 s1
R
f1  f2  R
f1
n
 1
f2
n2
Ecuación de Gauss para un dioptrio
f2 f1
 1
s2 s 1
Formación de imágenes en un dioptrio
a. El Rayo sale del objeto que va paralelo al eje óptico, después de pasar por el dioptrio pasa
por el foco F imagen.
b. Rayo que pasa por el centro de curvatura y no se desvía
c. Rayo que pasa por el foco F, y después de pasar por el dioptrio sale paralelo al eje óptico.
La imagen formada termina en el punto de corte de las tres líneas y comienza en el eje óptico.
n1=índice de refracción del medio
s1= distancia del objeto al dioptrio
n2= índice de refracción del dioptrio
s2= distancia de la imagen al dioptrio
Aumento de un dioptrio
El aumento es la relación entre los tamaños de la imagen y del objeto.
A
y 2 n1s2

y1 n2s1
Lentes
Una lente es un conjunto de dos dioptrios, al menos uno esférico.
Vamos a trabajar solo con lentes delgadas; en las que la anchura es despreciable frente al radio de
curvatura.
Convergentes: Son más gruesas en el centro.
Divergentes: Son más gruesas en los extremos.
1 1 nl  nm  1 1 
  
 
s s
nm  r1 r2 
1
1 1
1
  n  1   
s2 s1
 R1 R 2 
 1
1
1
 n  1   
f2
 R 2 R1 
ff
1 1 1
 
s2 s1 f2
Aumento de una lente:
El aumento de la lente viene dado por una semejanza de triángulos:
A
y 2 s2

y1 s1
Se define la potencia de una lente como la inversa de la distancia focal y se mide en dioptrías (m-1)
P
1 Lente convergente P  0

f2 Lente divergente P  0
Espejos
Vamos a considerar un espejo como un dioptrio esférico en el que el índice de refracción n2 es igual y de sentido contrario al n1. El rayo llega se refleja y vuelve por el primer
medio pero en sentido contrario. si n2=n1 entonces tenemos que:
1 1 2
 
s2 s1 R
Los espejos cóncavos tienen radio negativo y los convexos positivo.
De la fórmula del espejo podemos deducir inmediatamente que la distancia focal es la mitad del radio: 2f= R
Aumento de un espejo :En la fórmula del aumento de un dioptrio, recordando que en los espejos
n2  n1 ; tenemos : A 
y2
s
 2
y1
s1
Resumen de fórmulas y ecuaciones:
Óptica de la visión
El ojo humano es una esfera de unos 25 mm de diámetro. En él se
distinguen las siguientes partes:
En él se distinguen las siguientes partes:
Esclerótica: membrana blanca, opaca y resistente. Termina en la
córnea por la parte anterior.
Coroides: Recubre la parte interior del ojo excepto la cornea.
Retina: membrana situada en el fondo del ojo llena de células
nerviosas en la que se proyectan las imágenes. En la retina hay dos
tipos de células: conos y bastones. Los bastones detectan la
intensidad de luz y los conos los colores. Hay tres tipos de conos en
función del color al que son sensibles: rojo, verde y azul. Cualquier
color se forma por combinación de esos tres. La mácula es la zona
en la que hay mayor concentración de conos.
Cristalino: Lente biconvexa elástica. Está sujeto al globo ocular por
los músculos ciliares que permiten modificar el radio de curvatura.
El conjunto pupila/iris selecciona la cantidad de luz que entra en el
ojo.
Defectos de la visión:
Miopía.
Se debe a un alargamiento del ojo. Se ven bien los objetos cercanos pero la
imagen de objetos lejanos se forma por delante de la retina por lo que se
ven borrosos. Se corrige con lentes divergentes.
Hipermetropía.
Es lo contrario de la miopía. Se ven bien los objetos lejanos pero no los
cercanos porque la imagen se forma por detrás de la retina. Se corrige con
lentes convergentes.