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Óptica

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Reflexión y refracción de la luz

Reflexión

Cuando un rayo de luz vuelve al mismo medio después de golpear la superficie de otro medio, el fenómeno se denomina reflexión de la luz. En otras palabras, la reflexión es el rebote de los rayos de luz de una superficie en el mismo medio.

En términos simples, la reflexión implica el rebote de luz, sonido, calor u otro objeto de regreso a la fuente, sin absorberlo. Cambia la dirección del haz de luz cuando cae sobre el plano para que el rayo vuelva al medio en el que se genera.

reflexión de la luz

 

La ley de la reflexión dice:

  • El ángulo de incidencia es idéntico al ángulo de reflexión.
  • El rayo de incidencia, el rayo de reflexión y la normal trazada en el punto de incidencia, hacia el espejo, ocurren en el mismo plano.

Angulo de Incidencia (i) = Angulo de reflexión (r)

La reflexión puede ser de dos tipos:

Reflexión regular 👉 la reflexión regular también se denomina reflexión especular, que ocurre cuando el haz de luz cae en un plano regular, pulido y liso.

Reflexión irregular 👉 Reflexión irregular también denominada reflexión difusa, que se produce cuando el haz de luz incide sobre la superficie rugosa y refleja la luz en varias direcciones.

Refracción

El cambio de dirección y velocidad de la luz cuando entra de un medio a otro se denomina refracción de la luz. Ejemplos de refracción son lentes, prismas, telescopios.

La refracción es el fenómeno de la luz, en el que la onda se desvía cuando pasa en diagonal a través de la interfaz entre dos medios de diferentes densidades. Se refiere al cambio de dirección y velocidad del haz de ondas de luz, debido al cambio en el medio de transmisión.

El índice de refracción es la relación entre el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción. Determina la velocidad de un rayo de luz en el nuevo medio. Esto implica que cuanto más denso es el medio, más lenta es la velocidad de la luz, y viceversa.

La ley de refracción establece que:

  • -La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es constante en dos medios dados cualesquiera.
  • -El rayo incidente, el rayo refractado y el rayo normal en la interfaz de dos medios dados, se encuentran todos en el mismo plano.

Hay varios fenómenos, que se basan en la refracción, como la aparente flexión de un objeto que está parcialmente sumergido en el agua y los espejismos observados en un desierto caluroso y arenoso. La refracción de la luz visible también es una característica importante de las lentes que les permite enfocar un haz de luz en un solo punto.

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Espejos planos y esféricos

 

Espejos planos

En los espejos planos se forman imágenes derechas, del mismo tamaño de objeto, y a la misma distancia por detrás (simétricas) de la superficie reflejante que a la que se encuentra el objeto colocado frente a la superficie. Las imágenes son virtuales, es decir, la imagen no puede captarse en una pantalla porque la luz no converge en la posición de la imagen.

Espejos esféricos

El foco principal de un espejo esférico, es el punto F donde los rayos paralelos y muy cercanos al eje principal se enfocan. Este foco es real para un espejo cóncavo y virtual para un espejo convexo. Está localizado sobre el eje principal y la mitad de la distancia entre el centro de curvatura C y el espejo.

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Lentes convergentes y divergentes

Una lente es un cuerpo limitado por dos caras esféricas o por una cara plana y otra esférica.

Los elementos de una lente son:

  • 1.Centros de curvatura (C, C’): son aquellos centros de las esferas que limitan las caras de la lente.
  • 2.Centro óptico (O): centro de la lente.
  • 3.Vértice (V,V’): son los puntos de intersección entre la lente y el eje principal.
  • 4.Eje principal: es aquella recta que pasa por los centros de curvatura.
  • 5.Ángulo de abertura (α): es el ángulo bajo el cual se ve la cara de la lente, desde el centro.
  • 6.Foco (F): es el punto que se encuentra entre el centro óptico y el centro de curvatura.
Figura 1. Elementos de una lente.

Tipos de lentes.

Lentes convergentes.

Son aquellas que son más gruesas en el centro que en los bordes.

Figura 2. Tipos de lentes convergentes.

Los rayos que llegan paralelos al eje de una lente convergente se refractan y concurren en el foco.

Figura 3. Rayos de luz en una lente convergente.

Los rayos notables de las lentes convergentes son:

  • 1.Si el rayo incidente llega paralelo al eje de una lente, el rayo se refracta y pasa por el foco opuesto (dentro de la figura 4 en la figura 1).
  • 2.Si el rayo incidente pasa por el foco de una lente, el rayo se refracta paralelo al eje (dentro de la figura 4 en la figura 2).
  • 3.Si el rayo incidente pasa por el centro óptico de una lente, el rayo no cambia su dirección (dentro de la figura 4 en la figura 3).
 

Lentes divergentes.

Son aquellas que son más gruesas en los bordes que en el centro.

Los rayos que llegan a una lente divergente se refractan y sus prolongaciones concurren en un foco.

Figura 6. Rayos de luz en una lente divergente.

Los rayos notables de las lentes divergentes son:

  • 1.Si el rayo incide paralelo al eje de una lente, el rayo se refracta y su prolongación pasa por el foco (dentro de la figura 7 en la figura 1).
  • 2.Si el rayo incidente pasa por el foco de una lente, el rayo refractado es paralelo al eje de la lente (dentro de la figura 7 en la figura 2).
  • 3.Si el rayo incidente pasa por el centro óptico de una lente, el rayo no cambia su dirección (dentro de la figura 7 en la figura 3).
Figura 7. Rayos notables en una lente divergente.

Punto de vista contemporáneo (dualidad)

El principio de la dualidad onda-partícula establece que, desde el punto de vista moderno de la física cuántica, las partículas pueden exhibir comportamientos típicos de ondas en ciertos experimentos y de partículas en otros. Dependiendo del experimento y las condiciones en las que se lleva acabo dicho experimento.

 

 

¿Por qué se dice que la luz se comporta como onda y como partícula?

La luz se comporta como onda y como partícula porque es capaz de interferirse a sí misma como una onda (como las sombras que se superponen en la calle) y de generar energía en un panel solar como una partícula (como lo demostró Albert Einstein con su experimento del Efecto Fotoeléctrico en 1921). La luz es el ejemplo más fácilmente reconocible de la dualidad onda partícula debido la facilidad con la que se puede demostrar este principio usando el experimento de la doble rendija de Thomas Young. Esta cualidad está presente en toda la materia visible en el universo.

 

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Esta teoría se fundamentó en un experimento hecho por Newton en 1666; en el cual hizo pasar un haz de luz solar a través de un prisma de cristal que se separaba en rayos de luz más pequeños de los colores del arcoíris, el famoso experimento de descomposición de la luz. Newton concluyo que la luz blanca está compuesta por luz de todos los colores del arcoíris. Lo que en su modelo Newton explicaba diciendo que los corpúsculos de luz eran diferentes en función de su color.

 

Modelo corpuscular

Modelo corpuscular

El modelo corpuscular, o teoría corpuscular de la luz, de Isaac Newton, propone que la luz está compuesta de diminutas partículas materiales llamadas corpúsculos. Estas partículas son lanzadas en línea recta y a gran velocidad desde las distintas fuentes de luz (el Sol, una linterna, una vela, etcétera). Esta teoría fue propuesta en 1704 y lograba explicar tanto la propagación rectilínea de la luz como la reflexión de la luz, aunque no explicaba satisfactoriamente la refracción.

Experimento del prima de luz de Newton (1666)
 

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.

 

Modelo ondulatorio

Modelo ondulatorio

La teoría ondulatoria de la luz, propuesta por el científico holandés Christian Huygens, contemporáneo de Isaac Newton, establece que la luz se propaga como una onda, similar al sonido o a las ondas mecánicas que se producen en el agua. Huygens propuso que la luz se propaga en todas las direcciones como un conjunto de ondas que se desplazan por un medio insustancial e invisible que él denominó «éter«.

Teoria Ondulatoria de la LuzEn la Teoría Ondulatoria de la Luz, la luz se propaga como onda en todas direcciones.



Dado que las ondas no se ven afectadas por la gravedad, Christian Huygens asumió que la velocidad de las ondas se reducía cuando pasaban de un medio menos denso a otro más denso. Este modelo resultó particularmente útil para explicar la ley de Snell-Descartes sobre la reflexión y la refracción; y también explicaba satisfactoriamente el fenómeno de la difracción. Este modelo se basa fundamentalmente en dos conceptos:
  1. Las fuentes luminosas emiten ondas con forma esférica, similares a las ondas que se producen en la superficie del agua. De este modo, los rayos de luz están definidos por rectas cuya dirección es perpendicular a la superficie de la onda.
  2. Cada punto de una onda es a su vez un nuevo centro emisor de ondas secundarias, que son emitidas con la misma frecuencia y velocidad que caracterizaba a las ondas primarias. La infinidad de las ondas secundarias no se percibe, de modo que la onda resultante de estas ondas secundarias es su envolvente.
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.




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