fisica general, unidad 3, optica

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Física General Instituto Tecnológico de Chetumal. Ingeniería en Sistemas Computacionales. Física General. Unidad 3: Óptica. Elaboró: Pineda Uc German Alejandro. Asesor: Acevedo Huerta Brando Alejandro. 04 de Diciembre del 2015

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Resumen de la unidad 3 de la materia de física general.

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ptica Geomtrica

Fsica GeneralInstituto Tecnolgico de Chetumal.

Ingeniera en Sistemas Computacionales.Fsica General.Unidad 3: ptica.

Elabor: Pineda Uc German Alejandro.Asesor: Acevedo Huerta Brando Alejandro.

04 de Diciembre del 2015

Introduccin.La unidad aborda diversos temas que se relacionan con la ptica como la luz, la reflexin, fibra ptica, lentes, etc.Conocer tanto los conceptos de cada uno de los temas abarcados en la unidad, as como las representaciones de los mismos es importante no solo educativamente, si no que otorga una nueva visin al respecto de estos temas, se conoce la velocidad de la luz, las propiedades y las fuerzas que intervienen en el simple hecho de que la luz se refleje, como funciona matemticamente un espejo o la fibra ptica, entre otros.

Objetivos. Entender que la ptica geomtrica se ocupa de las trayectorias de la energa radiante a travs de distintos medios. Conocer el principio de Fermat y las leyes y principios fundamentales de la ptica. Conocer el significado de los conceptos y nomenclatura ms utilizada en ptica geomtrica. Conocer el criterio de signos y saber aplicarlo. Saber deducir la ecuacin del dioptrio esfrico (ptica paraxial) y saber aplicarla. Conocer el concepto de aumento lateral y aplicarlo con correccin. Conocer los elementos cardinales de una superficie. En particular el concepto de focal. Deducir la formacin de imgenes a travs de una superficie esfrica refractante mediante el trazado de rayos. Deducir a partir de la ecuacin del dioptrio esfrico las ecuaciones que gobiernan la ptica de cualquier otra superficie: plana refractante, espejos esfricos y espejos planos. Deducir la formacin de imgenes a travs de cualquier superficie mediante el trazado de rayos. Conocer el concepto de lente delgada y conocer los tipos de lentes. Deducir a partir de la ecuacin del dioptrio esfrico la ecuacin que gobierna la ptica de las lentes delgadas. Deducir la formacin de imgenes a travs de una lente delgada mediante el trazado de rayos. Conocer los instrumentos pticos fundamentales y el aumento visual de cada uno de ellos. Conocer los defectos de visin ms comunes y saber interpretarlos.Resolver con correccin cuestiones y problemas relacionados con los contenidos explicados. Dominio de las unidades correspondientes.

Marco terico.La ptica es la rama de la fsica que estudia las propiedades de la luz, es decir su propagacin e interaccin con la materia. La luz visible designa a la regin del espectro de radiacin electromagntica que se extiende desde una longitud de onda ? = 390nm hasta ? = 780nm; aunque actualmente es comn incluir la radiacin infrarroja que abarca desde los 780nm hasta los 300nm y la ultravioleta que va desde los 15nm hasta los 390.

3.1 ptica Geomtrica.El concepto bsico con que opera la ptica geomtrica es el rayo luminoso, que, como veremos, da solo una descripcin aproximada del camino que la luz sigue en el espacio, pero para muchos fines prcticos esa aproximacin es suficiente. Siendo un rayo luminoso un concepto geomtrico. No se puede reproducir en un laboratorio, pero hacemos uso de una fuente de rayo paralelo y, limitado de esta porcin, de tal manera que se deje pasar un haz cilndrico de luz, se pueden reproducir casi todos los resultados tericos con una aproximacin.

Las Leyes de reflexin.Se llama reflexin al rechazo que experimenta la luz cuando incide sobre una determinada superficie. Toda superficie que tenga la propiedad de rechazar la luz que incide en ella se llama superficie reflectora; lo contrario de una superficie reflectora es una superficie absorbente; estas superficies capturan la luz que incide sobre ellas transformndola en otras formas de energa, generalmente energa calorfica.

3.1.1 Concepto de Luz.

La luz es una forma de radiacin electromagntica, llamada energa radiante, capaz de excitar la retina del ojo humano y producir, en consecuencia, una sensacin visual. El concepto luz tiene absoluta relacin con quien la percibe, y es a travs de ella que el hombre se conecta visualmente con el mundo que lo rodea.

La energa radiante fluye en forma de ondas en cualquier medio con una direccin determinada, y slo es perceptible cuando interacta con la materia, que permite su absorcin o su reflejo. Hay entonces un cuerpo emisor de la energa radiante y otro que la recibe. Esta interaccin o transferencia de energa de un cuerpo a otro se denomina radiacin. Fsicamente se puede interpretar la luz de 2 maneras, asociadas entre s:

Como una onda electromagntica. Como un corpsculo o partcula.

Caractersticas de la luz:

Amplitud (altura de la onda). Longitud de onda (comportamiento espacial): [nm] (nanometro). Velocidad: [km/seg] es la distancia que recorre la onda en 1 segundo. Frecuencia (comportamiento temporal): [hz], definida por el nmero de ondas que asan en un segundo por un punto fijo. Se estima en la longitud de onda multiplicada por 1014 ciclos por segundo. La luz se transmite en el vaco a la velocidad que denominamos velocidad de la luz (299.792,458 km/seg, segn la teora de la relatividad de Einstein), comprendiendo diferentes longitudes de onda y frecuencias. Cuando cambia de medio (aire, agua, vidrio, etc.) cambia su velocidad y su longitud de onda, permaneciendo constante su frecuencia.

Espectro electromagntico.

Se denomina espectro electromagntico al ordenamiento de la energa radiante segn la longitud de onda o la frecuencia. Se extiende desde longitudes de onda de 10-16 hasta 105 metros. En el extremo de las frecuencias ms altas (onda corta) de mayor energa estn los rayos csmicos (emitidos durante reacciones nucleares).

Espectro visible.

El espectro visible es la porcin del espectro electromagntico percibida por el ojo humano, y comprende las emisiones radiantes de longitud de onda desde los 380 nm hasta los 780 nm puede variar segn la bibliografa utilizada). La luz blanca percibida es una mezcla de todas las longitudes de onda visibles.3.1.2 Velocidad de la Luz.

Durante mucho tiempo se pens que la velocidad de la luz era infinita. Galileo supuso que la velocidad de la luz era finita pero muy elevada e intent medirla con observadores con focos luminosos pero fracaso porque la velocidad de reaccin de estos era muy inferior a la de la luz. La velocidad de la luz fue calculada por primera vez por Olaf Rmer (1675) y posteriormente por Fizeau (1849) En la actualidad, se ha determinado que el valor para c = 2, 9979.

En 1865 Maxwell expone su teora del campo electromagntico. En el expone que:

Un campo magntico variable con el tiempo induce un campo elctrico proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magntico y perpendicular a l. Un campo elctrico variable con el tiempo induce un campo magntico proporcional a la rapidez con la que cambia el flujo elctrico y perpendicular a l. Una carga elctrica que posee un movimiento acelerado crea una perturbacin electromagntica.

El flujo del campo elctrico a travs de una superficie cerrada es igual a la carga neta contenida, dividido por la cte. dielctrica del vaco. El flujo del campo magntico a travs de una superficie cerrada es 0. El flujo del campo magntico Se define onda electromagntica como la perturbacin peridica de los campos elctrico y magntico asociados, que se propaga por el espacio. Son transversales y no necesitan ningn soporte material para propagarse.

Caractersticas: Son originadas por cargas elctricas aceleradas Consisten en la variacin peridica del estado electromagntico del espacio. Un campo elctrico variable produce un campo magntico variable, este a su vez origina un campo elctrico y as ambos se propagan en el espacio. E Y B son perpendiculares entre s y con la direccin de propagacin y estn en fase. No necesitan soporte material para propagarse Los vectores E Y B vara sinusoidalmente en el tiempo y la posicin , con la ecuacin de las ondas armnicas: E = El flujo del campo elctrico B = El flujo del campo magntico Representacin de la onda electromagntica al propagarse en una direccin Sabemos que E = cB. Por tanto en este caso E/B = c c puede expresarse como c = 1 / v (eo o), donde eo = cte dielctrica del vaco = 9 10-12 C/Nm y 0 permeabilidad magntica del vaco 4p 10-7 Tm / A Podemos resumir diciendo que las ondas electromagnticas son ondas transversales que se propagan en el vaco a la velocidad de la luz. Esta velocidad es independiente de la longitud de onda.3.1.3 Reflexin y Refraccin.

Al igual que lareflexinde las ondas sonoras, la reflexin luminosa es un fenmeno en virtud del cual la luz al incidir sobre la superficie de los cuerpos cambia de direccin, invirtindose el sentido de su propagacin. En cierto modo se podra comparar con el rebote que sufre una bola de billar cuando es lanzada contra una de las bandas de la mesa.

Lavisinde los objetos se lleva a cabo precisamente gracias al fenmeno de la reflexin. Un objeto cualquiera, a menos que no sea una fuente en s mismo, permanecer invisible en tanto no sea iluminado. Los rayos luminosos que provienen de la fuente se reflejan en la superficie del objeto y revelan al observador los detalles de su forma y su tamao.

Se denomina refraccin luminosa al cambio que experimenta la direccin de propagacin de la luz cuando atraviesa oblicuamente la superficie de separacin de dos medios transparentes de distinta naturaleza. Laslentes, lasmquinas fotogrficas, elojo humanoy, en general, la mayor parte de losinstrumentos pticosbasan su funcionamiento en este fenmeno ptico.

No obstante, este fenmeno slo tiene lugar si la onda tropieza en forma oblicua sobre la superficie de los dos cuerpos en cuestin y si sus ndices de refraccin son diferentes. Es el cambio de velocidad de la onda lo que facilita el fenmeno. La desviacin de la direccin de propagacin del rayo se justifica por medio de la ley de Snell.3.1.4 Fibra ptica.

Una fibra ptica es compuesta bsicamente de material dielctrico (en general slice), segn una larga estructura cilndrica, transparente y flexible, de dimensiones microscpicas, comparables a las de un cabello humano. La estructura cilndrica bsica de la fibra ptica es formada por una regin central llamada ncleo, envuelta por una capa, tambin de material dielctrico que se llama chaqueta.

La composicin de la chaqueta de la fibra ptica, con material de ndice de refraccin ligeramente inferior al del ncleo, ofrece condiciones para la propagacin de energa luminosa a travs del ncleo de la fibra, en un proceso de reflexin interna total. Las principales ventajas de la fibra ptica son:

Permitir altsimas tasas de transmisin, en el orden de Gbps (billones de bits por segundo). La tasa de transmisin depende de los equipos posean total inmunidad a interferencias electromagnticas externas, proporcionando distancias mximas permitidas mayores que en los cables metlicos, pudiendo emplearlas en lugares con gran nivel de ruido. Por ser aislante, es el medio ms indicado para interconectar edificios y sistemas con distintos aterramientos, lo que elimina el problema de la conduccin elctrica entre potenciales distintos. Elimina tambin el problema de la conduccin de descargas de la atmosfera en el cable. 3.1.5 Espejos.

Un espejo (del lat. specullum) es una superficie pulida en la que al incidir la luz, se refleja siguiendo las leyes de la reflexin. El ejemplo ms sencillo es el espejo plano. En este ltimo, un haz de rayos de luz paralelos puede cambiar de direccin completamente en conjunto y continuar siendo un haz de rayos paralelos, pudiendo producir as una imagen virtual de un objeto con el mismo tamao y forma que el real.

La imagen resulta derecha pero invertida en el eje normal al espejo. Tambin existen espejos curvos que pueden ser cncavos o convexos. En un espejo cncavo cuya superficie forma un paraboloide de revolucin, todos los rayos que inciden paralelos al eje del espejo, se reflejan pasando por el foco, y los que inciden pasando por el foco, se reflejan paralelos al eje.

Los espejos son objetos que reflejan casi toda la luz que choca contra su superficie debido a este fenmeno podemos observar nuestra imagen en ellos.

3.1.6 Lentes.

Las lentes son objetos transparentes (normalmente de vidrio), limitados por dos superficies, de las que al menos una es curva. Las lentes ms comunes estn basadas en el distinto grado de refraccin que experimentan los rayos al incidir en puntos diferentes del lente.

Entre ellas estn las utilizadas para corregir los problemas de visin en gafas, anteojos o lentillas.

Tambin se usan lentes, o combinaciones de lentes y espejos, en telescopios y microscopios. El primer telescopio astronmico fue construido por Galileo Galilei usando una lente convergente (lente positiva) como objetivo y otra divergente (lente negativa) como ocular. Existen tambin instrumentos capaces de hacer converger o divergir otros tipos de ondas electromagnticas y a los que se les denomina tambin lentes. Por ejemplo, en los microscopios electrnicos las lentes son de carcter magntico.

En astrofsica es posible observar fenmenos de lentes gravitatorias, cuando la luz procedente de objetos muy lejanos pasa cerca de objetos masivos, y se curva en su trayectoria.

3.1.7 El telescopio.

Los telescopios convencionales, han permitido al ser humano alcanzar un destacado conocimiento del firmamento y con sus mejoras los astrnomos han podido adentrarse ms y ms en la historia del Cosmos, como si de arquelogos espaciales se tratara.Conocer cmo funciona un telescopio nos permitir explicar ese mecanismo mgico de ver all donde no llega nuestro ojo as como saber que telescopio nos puede ser ms til dependiendo del tipo de observacin que deseemos realizar y (ms importante an) del dinero que tengamos en nuestro bolsillo. El telescopio es la herramienta bsica de la observacin astronmica de luz visible. Existen otros tipos de telescopios que se encargan de recoger la radiacin infrarroja, las de alta energa (como gamma o X) y otros que descomponen el espectro visible para analizar entre otras cosas los componentes qumicos de un objeto lejano que emite luz.El telescopio convencional actual, se basa en los desarrollos que realizo Galileo mejorando una serie de modelos holandeses existentes ya aos antes de que el magnfico cientfico italiano tuviera conocimiento de ellos. Hacia mayo de 1609, Galileo, es contactado por un colega francs que le informa sobre los nuevos aparatos y emprende la construccin de su propio telescopio.A diferencia de los holandeses, Galileo, construy uno que no deformaba los objetos y que los aumenta 6 veces, el doble que los primeros. El genio italiano consigui ser tambin el nico en su poca en obtener imgenes que se vean derechas a travs del uso de una lente especial en el ocular.Aunque los principios bsicos del telescopio siguen siendo los mismos que los del primer telescopio de Galileo, desde entonces se han ido introduciendo numerosas mejoras. A Galileo, el telescopio le cambi su vida y tambin a todos los seres humanos que llegaron despus, lo conocieran o no. Actualmente existen dos tipos principales de telescopios, denominados refractores y reflectores. En ambos la luz penetra y al encontrarse con el primero de los vidrios, la luz se refracta continuando su camino pero con una direccin de propagacin diferente. Los telescopios refractores se componen principalmente de dos partes. El objetivo y el ocular.El primero de ellos es una lente o ms bien, una combinacin de lentes siempre convergentes y de gran dimetro. Estos telescopios recogen la luz de objetos lejanos y la hacen converger en un punto interno del telescopio denominado plano focal y desde all mediante otra lente se forma la imagen del objeto al que este apuntando el aparato. Los oculares del telescopio se encargaran de establecer el tamao final con el que visualizaremos dicho objeto. En este punto es importante destacar el concepto de distancia focal, que es la distancia existente entre el objetivo y el plano focal.Si mirramos directamente la imagen que se forma en el plano focal del objetivo, veramos una imagen al revs debido al uso de una lente convergente. Este problema lo solucion Galileo empleado una ocular que montara una lente divergente. El telescopio de Galileo permiti obtener imgenes derechas, no invertidas, pero ciertos inconvenientes que se fueron detectando al descubrirse e introducirse mejoras, llevaron al progresivo desuso de este tipo de telescopios.En la actualidad, los telescopios refractores astronmicos utilizan oculares convergentes a diferencia del divergente utilizado por Galileo. Este tipo de telescopio fue analizado y descrito por Kepler y proporciona imgenes invertidas, de mayor calidad que las del telescopio de Galileo. Por otro lado, los telescopios reflectores utilizan espejos cncavos. En el momento en el que la luz entra por el objetivo y llega a uno de estos espejos, la luz no se refracta (se dispersa), sino que se refleja, es decir no se adentra en el espejo y continua su propagacin en direccin opuesta. A este fenmeno se le conoce como reflexin y al igual que en los telescopios refractores, la distancia desde la superficie del espejo cncavo al plano focal donde se concentra la luz de una zona hacia donde apuntemos, se denomina distancia focal.Un ocular tambin se encargara, en este caso, de captar la imagen formada en el plano. Pero debido a que la luz en los telescopios reflectores no contina atravesando la lente sino que rebota y contina en sentido opuesto al sentido de incidencia, el ocular y la cabeza del observador cubriran el objetivo si se quisiese acceder al plano focal de forma directa. Para conseguir poder ver lo que la luz reflejada contiene, se desva este haz de luz convergente hacia un punto donde pueda ser recogida y adaptada por el ocular sin obstaculizar la observacin.Esta es la explicacin ms bsica de la forma en que se recoge la luz y se adapta al observador para que este la pueda ver.Sin embargo, la mayora de grandes marcas de telescopios poseen una forma distinta de implementar este proceso y cada diseo diferente de telescopio reflector define unos criterios concretos para obtener la luz de un objeto lejano y reproducirla favoreciendo as unas determinadas caractersticas y ventajas pero tambin obtenindose bajas prestaciones en otros aspectos de la observacin. De ah que no existen el telescopio perfecto para todo, sino ms bien un diseo de telescopio para cada circunstancia concreta.Los dos principales telescopios reflectores que existen actualmente son el reflector de Newton y el reflector de Cassegrain. El diseo de Newton es mucho ms sencillo y obtiene las imgenes interponiendo un espejo secundario plano que lleva la luz hacia un ocular situado en la parte delantera del tubo del telescopio. El Cassegrain implementa un diseo ms complejo y es que se necesita un espejo secundario convexo y que el espejo principal posea un orificio en el centro por donde la luz pasa en direccin al ocular.Los telescopios reflectores han de ser peridicamente revisados y ser realuminizados debido a que se utiliza material reflectante (una fina capa de aluminio) depositndolo sobre la superficie visible del objetivo. Gracias a este material, los espejos astronmicos impiden que la luz entre en la masa del espejo, evitndose as absorciones, reflexiones internas y aberraciones cromticas. Pero al estar este material reflectante a la intemperie y siendo como es muy sensible incluso por la oxidacin de la atmsfera, sea hace necesario realuminizarlos, siendo en los observatorios profesionales, una operacin que se sucede entre uno o dos aos. Los telescopios para aficionados suelen tener periodos ms largos, de hasta cinco aos o ms dependiendo en buena medida del clima en que sean utilizados.

3.2 Estudio y aplicaciones de emisin lser.Un lser (de la sigla inglesa light amplification by stimulated emission of radiation, amplificacin de luz por emisin estimulada de radiacin) es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecnica cuntica, la emisin inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherente de un medio adecuado y con el tamao, la forma y la pureza controlados:

Medicina: operaciones sin sangre, tratamientos quirrgicos, ayudas a la cicatrizacin de heridas, tratamientos de piedras en el rin, operaciones de vista, operaciones odontolgicas. Industria: cortado, guiado de maquinaria y robots de fabricacin, mediciones de distancias precisas mediante lser. Defensa: Guiado de misiles balsticos, alternativa al radar, cegando a las tropas enemigas. En el caso del Tactical High Energy Laser se est empezando a usar el lser como destructor de blancos. Ingeniera civil: guiado de mquinas tuneladoras en tneles, diferentes aplicaciones en la topografa como mediciones de distancias en lugares inaccesibles o realizacin de un modelo digital del terreno (MDT). Arquitectura: catalogacin de patrimonio. Arqueolgico: documentacin. Investigacin: espectroscopia, interferometra lser, LIDAR, distanciometra. Desarrollos en productos comerciales: impresoras lser, CD, ratones pticos, lectores de cdigo de barras, punteros lser, termmetros, hologramas, aplicaciones en iluminacin de espectculos. Tratamientos cosmticos y ciruga esttica: tratamientos de Acn, celulitis, tratamiento de las estras, depilacin.

Conclusin.El simple hecho de que un objeto se vea como cotidiano no significa que mltiples factores fsicos, matemticos, entre otros interacten con esos objetos, uno no supone que con simples clculos uno pueda conocer la imagen formada de la reflexin en el espejo, aun sin tener un espejo a mano.Conocer el concepto de la luz y su manera de interactuar con el mundo pero con una perspectiva objetiva viendo como interfiere las matemticas en algo como la luz es un aprendizaje nico.Al fin y al cabo la ptica ha sido un estudio que le ha permitido al ser humano superar lmites que antes haba difciles de alcanzar, aunque eso no significa que la investigacin en este campo se haya detenido.

Bibliografa:

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