La óptica estudia la naturaleza de la luz, sus fuentes
de producción, su propagación y los fenómenos
que experimenta y produce.
TEORÍA CORPUSCULAR: fue enunciada por Sir Isaac Newton (aproximadamente en 1666), quien formula que la luz estaba formada por pequeños corpúsculos (partículas) emitidos por los cuerpos luminosos que podían penetrar las sustancias transparentes (fenómenos de refracción: obedecía las leyes de la mecánica) y reflejarse en las superficies de los cuerpos opacos (fenómenos de reflexión). Se utilizó para explicar la propagación rectilínea de la luz.
LA LUZ COMO PARTÍCULA
Desde la antigüedad se han estudiado fenómenos
relacionados con la luz.
Pero, ¿de qué está constituida la luz? Un acercamiento
desde la Física, para dar una respuesta, pasa por estudiar cómo es su
comportamiento. En la “Indagación inicial” pudiste replicar algunas de las observaciones
similares a las que ya se habían realizado a principios del siglo XVII. Estas
observaciones pueden resumirse en:
• La luz se propaga en línea recta, esto se desprende
porque la sombra de los objetos mantiene su forma, o se puede observar
cotidianamente, por ejemplo, cuando se levanta polvo al barrer y entran rayos
de luz solar a una habitación, donde se observará claramente la trayectoria
rectilínea de la luz.
• Cuando se interpone un obstáculo en el recorrido de
la luz, se produce sombra, es decir, ausencia de luz.
• Cuando la luz llega a las superficies, esta se
refleja. Esto es algo que experimentamos cotidianamente; de lo contrario, no
veríamos los objetos que nos rodean.
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). Los fenómenos de reflexión, refracción y doble refracción recientemente descubierto, entrando en franca contradicción con Newton.
Thomas Young y Augustin Fresnel, enuncian una nueva
teoría ondulatoria, según la cual 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, explicándose en ese
entonces (1860) los fenómenos de interferencia, difracción y polarización.
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.
TEORÍA DE LOS CUANTA: Fue propuesta por Max Planck (1900),
ante la imposibilidad de explicar un nuevo fenómeno luminoso (fotoelectricidad
o efecto fotoeléctrico), teoría confirmada y ampliada 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.
¿ONDAS O PARTÍCULAS?
Isaac Newton (1642 – 1727)
Creyó que la luz estaba integrada por partículas
microscópicas como diminutas bolas de billar.
Christian Huygens (1629 – 1695)
Propuso considerar la luz como un movimiento
ondulatorio, semejante a la propagación del sonido o de las ondas sobre el
agua.
La moderna teoría cuántica.
Explica que la luz se comporta, en algunos aspectos
como ondas y en otros, como las partículas.
En conclusión:
La luz presenta naturaleza dual: Cuando se propaga (fenómeno de propagación) se
comporta como una onda transversal electromagnética; pero cuando interacciona
con la materia (procesos de absorción y emisión mutua, entre la luz y la
materia) presenta carácter corpuscular (corpúsculos energéticos).
FENÓMENOS DE LA LUZ
·
Reflexión
·
Refracción
REFLEXIÓN DE LA LUZ
Algunos
astros como el Sol, y algunos objetos, como la ampolleta, son visibles porque
despiden luz propia. Pero también vemos cosas que no emiten luz propia, sino
que la reflejan: los rayos de luz rebotan en ellas. Vemos la luna porque
refleja la luz del Sol.
Los gases resultan casi invisibles porque son muy poco
densos y no reflejan suficientemente la luz. En cambio, los líquidos y los
sólidos son claramente visibles. La apariencia de un objeto depende tanto de la
cantidad de luz que refleja como de la textura de su superficie. Una superficie
blanca lisa, por ejemplo, refleja más luz que otra oscura y rugosa. Si una
superficie no refleja la luz en absoluto, se ve de color negro.
Es un fenómeno que experimenta la luz por el cual un
rayo luminoso cambia de dirección al incidir sobre una superficie reflectante.
Es decir, la capacidad de los cuerpos luminosos que
podían reflejarse en las superficies opacos.
Nota 1: No siempre que un haz luminoso choca una
superficie sufre reflexión total, a veces parte de la radiación se absorbe, y
otras se absorbe totalmente.
Nota 2: CONCEPTOS CLAVES:
Rayo incidente: es el rayo que llega a una determinada
superficie desde una fuente luminosa.
Rayo reflejado: es el rayo que se refleja desde una
determinada superficie (puede ser pulida o rugosa).
Hay leyes físicas que describen el fenómeno de
reflexión de la luz.
Una ley dice que el ángulo de incidencia de cada rayo
luminoso es igual al ángulo de reflexión, respecto de la recta normal (N).
La otra ley establece que tanto el rayo incidente, como
el rayo reflejado y la normal están en un mismo plano. (Ver fig. A).
.png)
La reflexión ocurre cuando los rayos luminosos chocan con un medio
de diferente densidad y retornan al medio inicial, según la 2° ley de onda
geométrica. Hay básicamente dos tipos de reflexión:
·
La
reflexión especular
·
La
reflexión difusa
LA REFLEXIÓN ESPECULAR: Al pasar los dedos sobre
la superficie de un espejo notarás que casi no se presentan rugosidades,
entonces se habla de una superficie pulida.
Sobre una superficie lisa, la luz se refleja según un
ángulo determinado. La reflexión especular de un rayo láser produce un punto brillante
sobre una pantalla.
Cuando un haz de rayos paralelos incide en una
superficie de ese tipo (Que en este caso, además es plana), los rayos que se
reflejan también son paralelos (ver figura B). Ese tipo de reflexión se llama
especular, y el ejemplo más común es la formación de imágenes en un espejo
plano.
LA REFLEXIÓN DIFUSA:
Las
superficies desiguales reflejan la luz de un modo difuso, dispensándola en
todas direcciones. La reflexión difusa de un rayo láser produce una mancha
borrosa de luz sobre una pantalla.
Cuando la superficie es rugosa, como una lija de
madera, la tierra o un muro, los rayos que inciden paralelos entre sí, se
reflejan en diferentes direcciones una vez que llegan a la superficie. A ese
tipo de reflexión se le denomina difusa (ver figura C). En este tipo de
reflexión no se consigue generar imágenes, sin embargo, nos permite ver los
cuerpos opacos desde cualquier ángulo.
Cuando la superficie es rugosa, como una lija de
madera, la tierra o un muro, los rayos que inciden paralelos entre sí, se
reflejan en diferentes direcciones una vez que llegan a la superficie. A ese
tipo de reflexión se le denomina difusa (ver figura C). En este tipo de
reflexión no se consigue generar imágenes, sin embargo, nos permite ver los
cuerpos opacos desde cualquier ángulo.
IMAGEN
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 reflectados, se habla 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´).
Luego, la condición general para que se forme la imagen de un punto luminoso es que todos los rayos reflejados o sus prolongaciones, sean concurrentes.
ESPEJOS
Por espejo se entiende toda superficie en la cual se
produce la reflexión regular. Por ejemplo, una lámina de metal, un vidrio
pulido, la superficie de un lago o estanque en reposo.
Ópticamente, los espejos son superficies pulimentadas,
opacas a la luz y que tienen buen poder reflector. Según la forma de la
superficie reflectora, los espejos se clasifican en:
·
Planos
ESPEJOS
PLANOS
En estos espejos, la imagen de un objeto es siempre virtual,
del mismo tamaño y simétrica del objeto con respecto al plano del espejo.
Un espejo consiste en una superficie ideal perfectamente
pulida, en la cual se produce una reflexión especular, pero los espejos que se
usan comúnmente en las casas consisten en un vidrio pintado por atrás con una
sustancia llamada nitrato de plata. En esta sección estudiaremos algunas propiedades
de las formaciones de imágenes.
FORMACIÓN DE IMÁGENES
·
Las
imágenes en un espejo plano
·
Las
imágenes en más de un espejo plano
LAS IMÁGENES EN UN ESPEJO PLANO
Cuando ves tu imagen o la imagen de un objeto en un
espejo plano, lo que ocurre es que los infinitos rayos provenientes del objeto
al llegar al espejo son reflejados en ángulos iguales a sus ángulos de
incidencia. Los rayos que divergen del objeto al reflejarse, divergen del
espejo.
En un
espejo plano, las imágenes presentan inversión lateral; es decir, el lado
derecho del objeto aparece como el lado izquierdo de la imagen.
La imagen virtual es del mismo tamaño que el objeto.
La imagen de un objeto en un espejo plano parece estar
detrás de la superficie del espejo a igual distancia que la que hay entre ésta
y el objeto. Pero no es una imagen real; la luz no procede de detrás del
espejo, sino que llega a los ojos reflejada como si procediera de un objeto
situado donde está la imagen. Este tipo de imágenes se llaman imágenes
virtuales.
Estos rayos divergentes parecen emanar de un punto
detrás del espejo. Un observador que ve su propia imagen o la de un objeto
reflejado, tiende a pensar que los rayos provienen de dicho punto, por lo que
la imagen se dice virtual, pero en la realidad los rayos provienen de la
superficie del espejo.
Una imagen real, en cambio, se forma cuando los rayos
de luz son convergentes. Esta imagen no la podemos percibir directamente con
nuestro sentido de la vista, pero puede registrarse colocando una pantalla en
el lugar donde convergen los rayos.
Consigue un espejo, ponlo frente a tu cara y apoya tu
cara en él. Trata de ver al mismo tiempo tu cara reflejada y tu mano. Verás que
no es posible: o bien tu cara se ve nítida y tu mano borrosa, o al revés. Lo
que pasa es que tu cara reflejada y tu mano están en planos distintos que no se
pueden enfocar simultáneamente. Llamaremos “mundo virtual” al que está detrás
del espejo; allí no existen los rayos luminosos, solo sus proyecciones
imaginarias, y “mundo real” al espacio donde están los objetos y los rayos de
luz.
EJEMPLO:
Tomemos un pimentón y lo ponemos frente a un espejo.
El pimentón representa un objeto real que está frente
a un espejo plano y el ojo representa a la persona que está mirando.
Si tomamos un punto del pimentón y desde ahí
proyectamos dos rayos luminosos hacia el espejo, vemos que cada rayo reflejado
lo hace con un ángulo distinto (α y β).
Vemos que la imagen virtual tiene la misma orientación
vertical que el objeto real, por lo que se dice que está derecha. Sin embargo,
se produce una reflexión directa: es por eso que al poner un texto frente a un espejo
las palabras se ven al revés. Además, la imagen virtual se ve del mismo tamaño
que el objeto real.
A los ojos
del observador, los rayos reflejados parecieran venir detrás del espejo. La
distancia del objeto al espejo (do) es igual a la distancia entre el espejo y
la imagen (di).
ESPEJOS ANGULARES
Un efecto
interesante se logra al poner dos espejos planos paralelos entre si, como en
algunos ascensores y baños.
En este caso cada imagen se comporta como un nuevo “objeto”
para el espejo contrario, lo que hace que se vea una multitud de imágenes hacia
adelante y atrás. Lo mismo ocurre con espejos que forman un ángulo menor de 90°
entre sí, como se observa en la siguiente fotografía.
Colocando un objeto entre dos espejos que forman un
cierto ángulo, se obtienen varias imágenes de dicho objeto, cuyo número aumenta
a medida que el ángulo formado va siendo menor.
El número de imágenes de dicho objeto, cuyo número
aumenta a medida que el ángulo formado va siendo menor.
El número de imágenes se puede obtener por medio de la
expresión:
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