ÓPTICA Ing. Eduardo Cruz Romero OPTICA • La óptica es la rama de la Física que estudia la luz y los fenómenos que produce,. La luz se propaga por medio de ondas electromagnéticas en línea recta a una velocidad aproximada de 300 mil km/s en el vacío. Para su estudio la óptica se puede dividir de la siguiente manera: Óptica Geométrica: Estudia fenómenos y elementos ópticos mediante el empleo de líneas rectas y geometría plana. Óptica física: Estudia los fenómenos ópticos con base en la teoría del carácter ondulatorio de la luz. Óptica Electromagnética: Trata los aspectos cuánticos de la luz. Comportamiento dual de la Luz (1/7) Desde tiempos muy remotos, al hombre le ha inquietado saber que es la luz y cual es la causa por la que vemos las cosas. En la antigüedad solo se interpretaba a la luz como lo opuesto a la obscuridad, mas adelante los filósofos griegos se percataron de la existencia de algo que relaciona la distancia entre nuestros ojos, las cosas vistas y la fuente que las iluminaba. Comportamiento dual de la Luz (2/7) Pitágoras señalaba en su teoría: la luz es algo que emana de los cuerpos luminosos en todas direcciones, choca contra los objetos y rebota de ellos; cuando esta penetra en nuestros ojos, produce la sensación de ver el objeto desde el cual reboto. Epicuro de Samos, otro filosofo griego, señalaba: la luz emitida por los cuerpos en forma de rayos, estos al entrar al ojo estimulan el sentido de la vista. Comportamiento dual de la Luz (3/7) A finales del siglo XVII existían dos teorías que trataban de explicar la naturaleza de la luz. Una era la teoría corpuscular de Isaac Newton, quien señalaba: La luz esta constituida por numerosos corpúsculos o partículas emitidas por cualquier cuerpo luminoso, dichas partículas al chocar con nuestra retina nos permiten ver las cosas al recibir la sensación luminosa. La otra teoría era del holandés Christian Huygens, quien opinaba: La luz es un fenómeno ondulatorio semejante al sonido, por eso su propagación es de la misma naturaleza que la de una onda. Comportamiento dual de la Luz (4/7) • Las dos teorías anteriores explicaban satisfactoriamente las tres características de la luz descubiertas hasta entonces: 1. Propagación rectilínea: es decir, la luz viaja en línea recta. 2. Reflexión: cuando la luz incide en una superficie lisa, los rayos luminosos son rechazados o reflejados en una sola dirección. 3. Refracción: desviación que sufre la luz al llegar a la superficie de separación entre dos sustancias de diferente densidad. Comportamiento dual de la Luz (5/7) Sin embargo, en 1801 se descubrió que la luz también presentaba el fenómeno de interferencia, producido al superponerse en forma simultanea dos o mas movimientos ondulatorios, el fenómeno de interferencia es prueba contundente para comprobar si un movimiento es ondulatorio o no, y en 1816 se encontró que la luz también se difractaba (fenómeno característico de las ondas), es decir, si una onda encuentra un obstáculo en su camino, lo rodea o lo contornea, estos fenómenos permitieron la aceptación de la Teoría de Huygens, pues la proposición de Newton no podría explicar estos fenómenos. Comportamiento dual de la Luz (6/7) La pregunta obligada es: Si la luz es una onda, ¿A que clase pertenece? Como las ondas necesitan de un medio para transmitirse, los físicos supusieron que este existía en un todo espacio e incluso en el vacío y lo llamaron éter. Comportamiento dual de la Luz (7/7) En 1865 el físico escoces James Clerk Maxwell propuso que la luz estaba formada por ondas electromagnéticas como las de radio y radar, entre otras; esto permite su propagación aun en el vacío, a una velocidad de 300 mil km/s. ello ocasiono que en 1887 los físicos Michelson y Morley demostraran mediante el interferómetro ideado por Michelson, que no existía ningún éter envolviendo a la tierra, y por tanto, no producían ningún arrastre sobre los rayos luminosos, concluyeron que la velocidad de la luz es constante, independientemente del movimiento de la tierra. Óptica Geométrica • La óptica geométrica se fundamenta en la teoría de los rayos de luz, la cual considera que cualquier objeto visible emite rayos rectos de luz en cada punto de el, y en todas direcciones a su alrededor. Cuando estos rayos inciden sobre otros cuerpos pueden ser absorbidos, reflejados o desviados, pero si penetran en el ojo estimularan al sentido de la vista. Propagación rectilínea de la Luz (1/2) • La luz se propaga en línea recta a una velocidad de 300 mil km/s en el vacío, una demostración experimental de este principio es el hecho de que los cuerpos produzcan sombras bien definidas. Propagación rectilínea de la Luz (2/2) Un cuerpo opaco es aquel que no permite el paso de la luz a través de el, por tanto si recibe rayos luminosos proyectara una sobre definida, un cuerpo transparente permite el paso de los rayos luminoso, por lo que se ve con claridad cualquier objeto colocado al otro lado de el. Un cuerpo translucido deja pasar la luz pero la difunde de tal manera que las cosas pueden ser distinguidas claramente a través de ellos. La velocidad de la Luz (1/4) • El astrónomo danés Olaf Röemer (1647-1710) fue el primero en calcular la velocidad de la luz en forma muy aproximada, su método consistió en observar al planeta Júpiter y a sus satélites, encontró que uno de ellos se eclipsaba atrás de el cada 42.5 horas, pero cuando la tierra estaba en su punto mas alejado de júpiter, el eclipse se retrasaba 22 minutos, es decir; 1320 segundos. La velocidad de la Luz (2/4) Röemer concluyo que el retraso se debía al tiempo en el cual la luz atravesaba la orbita terrestre que es de 3x108km/s, al dividir el diámetro de la orbita terrestre entre el tiempo de retraso, encontró un valor de la velocidad de la luz muy aproximado, equivalente a 227 272 km/s, sin embargo en esa época no le dieron crédito a su determinación, pues otros científicos consideraban este valor desproporcionado. La velocidad de la Luz (3/4) En 1907, el físico estadounidense de origen polaco Alberto Michelson (1852-1931) obtuvo el premio novel de Física por haber calculado con mucha exactitud la velocidad de la luz. Su método consistió en disponer ocho espejos planos para formar un prisma octagonal regular, el cual reflejaba la luz y giraba a velocidad angulares muy grandes, previamente determinadas, con esto michelson determino que la velocidad de la luz era de 299 705.5 km/s, cantidad aproximada a los 300 mil km/s. La velocidad de la Luz (4/4) Para tener una idea del significado de la cifra anterior, que es la velocidad máxima o velocidad limite en el universo, basta considerar que un rayo luminoso es capaz de darle siete vueltas y media a la tierra en un segundo. Reflexión de la Luz Cuando la luz llega a la superficie de un cuerpo, esta se refleja total o parcialmente en todas direcciones, si la superficie es lisa como en un espejo, los rayos son reflejados o rechazados en una sola dirección. Toda superficie que refleja los rayos de luz recibe el nombre de espejo, ejemplos son el agua de una alberca o un lago, o los espejos de cristal que pueden ser planos o esféricos, un espejo común como los utilizados en casa o en los automóviles, constan de una pieza de cristal a la cual se le deposita una capa delgada de plata en una de sus caras y para proteger dicha capa se recubre con pintura, al rayo de luz que llega al espejo se le nombre incidente y al rayo rechazado por el se le llama reflejado. Existen dos leyes de reflexión propuestas por descartes y son: 1. El rayo incidente, la normal y el espejo reflejado se encuentra en un mismo plano. 2. El Angulo de reflexión es igual al alguno de incidencia. Refracción de Luz La refracción de la luz consiste en la desviación que sufren los rayos luminosos cuando llegan a la superficie de separación entre dos sustancias o medios de diferente densidad, si estos inciden perpendicularmente a la superficie de separación de las sustancias, no se refractan. La causa que origina la refracción de la luz es el cambio en la velocidad de los rayos luminosos al penetrar a un medio de diferente densidad. Los rayos oblicuos que llegan a la superficie de separación entre dos medios se llama incidentes y los que se desvían al pasar por esta se les nombra refractados. Primera ley de la Refracción: El rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran siempre en el mismo plano. Segunda ley: para cada par de sustancias transparentes, la relación entre el seno del ángulo de incidencias y el seno del ángulo de refracción, tiene un valor constante que recibe el nombre de índice de refracción n. Índices de refracción: Sustancia Índice de refracción n Aire Agua Alcohol Vidrio Diamante 1.003 1.33 1.36 1.5 2.42 Las Lentes y sus Características Las lentes son cuerpos transparentes limitados por dos superficies esféricas o por una esférica y una plana, las lentes se emplean a fin de desviar las rayos luminosos con base en las leyes de la refracción, para su estudio se dividen en convergentes y divergentes. • Las convergentes son aquellas cuyo espesor va disminuyendo del centro hacia los bordes, razón por la cual se centro es mas grueso que sus orillas, tiene la propiedad de desviar los rayos hacia el eje y y hacerlos converger en un punto llamado foco. • En las lentes divergentes el espesor disminuye de los bordes hacia el centro, por lo que los extremos son mas gruesos y desvían los rayos hacia el exterior, alejándolos del eje óptico de la lente. Las lentes convergentes se utilizan para obtener imágenes reales de los objetos, tal es el caso de las cámaras fotográficas o proyectores de cine; como parte de los sistemas amplificadores de imágenes ópticas en los microscopios, o bien, para corregir defectos visuales de las personas hipermétropes en cuyo caso el ojo, se caracteriza porque los rayos paralelos al eje forma su foco detrás de la retina. Las lentes divergentes se utilizan para corregir la miopía. Las lentes convergentes, cualquier rayo luminosos que pase en forma paralela a su eje principal, al refractarse circulara por el foco principal, en las lentes divergentes el rayo que pase en forma paralela a su eje principal, al refractarse se separa como si procediera de un foco. El telescopio El telescopio es un instrumento que permite observar objetos distantes, amplificando la imagen generalmente a través espejos cóncavos. La palabra telescopio, proviene del griego. Tele significa lejos y, skopien, mirar. Un telescopio puede ser considerado, como un aparato que aumenta el tamaño angular de los objetos distantes y asimismo, el brillo que estos emiten. Es por lo mismo, que el telescopio es utilizado en la astronomía, para poder ver los cuerpos celestes alejados de la tierra. Asimismo, un telescopio recolecta y enfoca la radiación electromagnética. Un telescopio funciona por medio de uno o varios espejos cóncavos o curvos, los cuales captan la luz de los objetos lejanos o la radiación electromagnética. Esta luz captada por el telescopio o la radiación, es llevada a un foco, en el cual se crea la imagen definitiva. Es por medio de este sistema, que la imagen puede ser observada por los astrónomos, como asimismo, fotografiada para investigaciones futuras. Referencias Bibliográficas • Física General – Héctor Pérez Montiel. Publicaciones Culturales.