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Propagación de la luz

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 pasarlasEj. 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 sePuedan 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 luzMedio Rapidez (km/s)Vacío - 300.000Agua - 220.000Vidrio - 200.000Diamante - 120.000

Entre más denso, menor velocidad

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 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.

Teoría Corpuscular• 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• 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

• 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 LUZREFLEXIÓN 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 Ley de la reflexiónreflexión

El ángulo que forma el rayo El ángulo que forma el rayo incidente con la normal, incidente con la normal,

llamado ángulo de incidencia, llamado ángulo de incidencia, es igual al ángulo que forma el es igual al ángulo que forma el rayo reflejado con la normal, o rayo reflejado con la normal, o

sea, ángulo de reflexión.sea, ángulo de reflexión.

Ley de la Ley de la reflexiónreflexión

El ángulo que forma el rayo El ángulo que forma el rayo incidente con la normal, incidente con la normal,

llamado ángulo de incidencia, llamado ángulo de incidencia, es igual al ángulo que forma el es igual al ángulo que forma el rayo reflejado con la normal, o rayo reflejado con la normal, o

sea, ángulo de reflexión.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 convexosEn los espejos convexos siempre se forma una imagen virtual, derecha y de menor tamaño con respecto al objeto:


• Reflexión de espejos cóncavosImagen real, invertida y más pequeña


• Reflexión de espejos cóncavosImagen real, invertida y de igual tamaño.


• Reflexión de espejos cóncavosImagen virtual, derecha y de mayor

tamaño.


• Reflexión de espejos cóncavosImagen real, invertida y de mayor

tamaño.

Lentes Convergentes y Lentes Convergentes y DivergentesDivergentes

Lentes Lentes ConvergentesConvergentes

• 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 HumanoÓptica del Ojo Humano

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 VisiónDefectos de la VisiónDefectos de la VisiónDefectos 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

TelescopioTelescopioTelescopioTelescopio

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

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 (Así, un telescopio de 910 mm de focal (FF), con 114 mm de ), con 114 mm de diámetro (diámetro (DD) posee una razón focal de 8. Este valor sin ) posee una razón focal de 8. Este valor sin unidades representa cuan luminoso es un telescopio.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.

• 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.

Para calcular la resolución de un telescopio se utiliza la siguiente fórmula:

R ["] = 4.56 / D [pulgadas]

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

• 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 FocalD: Diámetro del objetivoA: Aumentos (Amax: Máximos Aumentos)F: Distancia Focal del telescopioFoc: Distancia Focal del ocularCr: Campo RealCa: Campo Aparente (ocular)R: ResoluciónM: Magnitud

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.

Ejercicios

• 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 izquierdaB. El tamaño de la imagen es igual al del objetoC. La distancia entre el objeto y el espejo es la misma que entre la imagen y el espejoD. Se forman imágenes realesE. 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 planoB. Al poner un objeto frente a un espejo

convexoC. Al poner un objeto frente a un espejo

cóncavo, a una distancia menor a la focalD. 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 Ib) Sólo IIc) Sólo IIId) I o IIIe) 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 atrás del punto focal

b) Lente que converge la luz en el punto focal

c) Lente bicóncavo que diverge la luz produciendo una imagen mas pequeña. virtual y derecha

d) Lente que sitúa la luz en el vértice y luego de mueve paralelo al eje óptico

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 reale) 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

propagación de la luz. la luz y su propagación. * viaje en todas direcciones: para describir su...

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