optica fisica

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OPTICA FISICA

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OPTICA FISICAEl estudio de la luz, denominado ptica, normalmente se divide en dos secciones: Propagacin de la luz, en que se abordar la ptica sobre la base de la nocin de rayo de luz (razn por la cual se denomina ptica geomtrica) y Naturaleza de la luz, en el que se estudia la ptica considerando la luz como un fenmeno ondulatorioCmo es posible la visin?Cmo se forma un arco iris?LA RAPIDEZ DE LA LUZSegn las referencias histricas, quien primero intent medir la rapidez de la luz fue Galileo Galilei (1564-1642) haciendo seales con una lmpara a otra persona situada a una distancia conocida. Si bien el mtodo empleado por Galileo no era incorrecto, la gran rapidez con que viaja la luz, haca impracticable el experimento. El primero en medir esta rapidez, en 1675, fue el astrnomo dans el Olaf Rmer (1644 1710) a travs de la observacin de los satlites de Jpiter. Ellos giran alrededor de este planeta demorando cierto tiempo en completar una rbita. Cuando el planeta se encuentra ms alejado de la Tierra, el movimiento de sus satlites parece retrasarse debido a que la luz que proviene de ellos demora ms tiempo en recorrer una distancia mayor. La precisin obtenida con este mtodo no fue muy buena, pero tuvo el mrito de probar que la luz no se propagaba de forma instantnea. En 1849, Hippolyte Fizeau (1819 1896) mide la velocidad de la luz dentro de un laboratorio. Su mtodo consisti en interceptar un rayo de luz refejado en un espejo con los dientes de una rueda giratoria. El resultado de las mediciones indicaba que la luz tendra una rapidez de 313.274 km/s en el aire. Aos ms tarde, en 1880, el fsico estadounidense Albert Michelson (1852-1931) logra mayor exactitud con una tcnica similar. Su mtodo consiste en hacer girar con la rapidez exacta un sistema de espejos en el que se refeja un rayo de luz. Hoy se defne la rapidez de la luz, en el vaco, como 299.792.456 m/s y se la designa con la letra c. Para efectos de clculo, a menos que se indique algo diferente, empleamos la aproximacin c = 3 x 108 m/s. LOS FENMENOS DE LUZ Y SOMBRAEstos fenmenos de luz y sombra son bastante habituales en la vida diaria, pero donde resultan espectaculares es en el mbito astronmico, particularmente en el caso de los eclipses. En efecto, el da y la noche, las fases de la Luna y los eclipses de Sol y de Luna son fenmenos de luz y sombra. Las siguientes fguras ilustran estos fenmenos.FASES LUNARESLas diferentes fases lunares para un observador en la Tierra, corresponden a la forma en que este satlite es iluminado por el SolECLIPSESLa luna proyecta su sombra sobre la Tierra, generando un eclipse de Sol.LA REFLEXIN DE LA LUZ Y LOS ESPEJOSLa luz se refeja prcticamente en todas las superfcies a las que llega. Gracias a este fenmeno es que podemos ver la mayora de las cosas que nos rodean: los rboles, las montaas, los muebles y las personas. Sin embargo, no todos los objetos refejan la luz de la misma forma. Algunos la refejan ms ordenadamente que otros.refexin especular refexin difusa.REFLEXION DIFUSA Y ESPECULAR La refexin especular, es la refexin que asociamos a los espejos o a superfcies muy lisas, como una placa metlica, una madera muy pulida o la superfcie del agua en reposo. Cuando la luz se refeja especularmente, se desva en una sola direccin y casi sin prdidas de energa, ya que un espejo refeja prcticamente toda la luz que incide sobre l. En efecto, podemos ver a los cuerpos que nos rodean debido a la refexin difusa. La refexin difusa es la que experimenta la luz cuando incide sobre un cuerpo cuya superfcie no es lisa o pulida, sino que ms bien irregular. Esto es lo que ocurre por ejemplo cuando miramos una for. Este cuerpo podemos verlo debido a que la luz que incide sobre l se refeja en todas direcciones, con diferentes colores.La refexin especular se rige por una sencilla ley, cuya formulacin incluso, es bastante intuitiva. En efecto, tal como muestra la fgura; si hacemos incidir un rayo de luz en un punto de una superfcie refectora, tendremos un rayo refejado. Si trazamos en el punto de incidencia (donde llega el rayo incidente) una lnea imaginaria perpendicular a la superfcie refectora, podremos apreciar que siempre se cumple que el ngulo de incidencia (formado por el rayo incidente y la normal) y el ngulo de refexin (formado por el rayo refejado y la normal) son de igual medida.Cmo se forman las imgenes que vemos en un espejo plano?Supongamos que una persona pone una for frente al espejo, tal como ilustra la fgura. Como muestra la fgura. Al poner su ojo en la posicin indicada, los rayos de luz que provienen de la for real, sern refejados por la superfcie del espejo y llegarn al ojo humano, sin embargo, nuestro ojo no es capaz de percibir de dnde vienen los rayos de luz, sino que siempre los percibe como si vinieran en lnea recta hacia l, es decir, el ojo percibir como si viniesen del otro lado del espejo. Esto hace que el ojo capte la imagen del objeto en la posicin que indica la fgura. A esta imagen, que slo capta el ojo, se le denomina imagen virtual; porque en defnitiva, se trata de una especie de ilusin ptica.Este tipo de imagen se denomina virtual, puesto que slo la capta nuestro ojo. En efecto, esta imagen est formada la proyeccin que nuestro ojo hace de los rayos reales.En contraposicin existen imagenes a las que denominaremos reales, por estar conformadas por rayos de luz, y por lo tanto pueden proyectarse sobre una superfcie o pantalla. Estas son las que se forman, por ejemplo, en el papel diamante de la cmara oscura o en un teln al proyectar una diapositiva. Otras caractersticas importantes de las imgenes que se producen en los espejos planos son: a) la distancia ente el objeto O y el espejo es igual a la distancia entre la imagen I y el espejo; b) el tamao de la imagen es igual al tamao del objeto; y c) la posicin de la imagen es derecha en relacin con el objeto; es decir, si la cabeza de la persona est arriba, la cabeza de la imagen tambin est arriba.REFRACCIN EN SUPERFICIES PLANASLa refraccin de la luz se produce simplemente cuando la luz cambia de medio de propagacin, es decir, se transmite desde un medio a otro. Esto es lo que ocurre por ejemplo, cuando la luz pasa desde el aire hacia el agua, o bien desde el espacio exterior (casi vaco) hacia el aire atmosfrico.Dependiendo de la direccin con que la luz incida sobre la superfcie de un medio, la refraccin puede generar adems una desviacin o cambio de direccin del rayo de luz.Por ejemplo, si la luz al cambiar de medio incide sobre el segundo medio de propagacin de manera perpendicular a su superfcie, hay refraccin pero sin cambio de direccin.Sin embargo cuando la luz incide sobre el segundo medio de manera oblicua, se desvaLA REFLEXIN TOTAL INTERNALo ms sorprendente de la refraccin es que, en algunos casos, aun cuando un rayo de luz que viaja por un medio incida sobre una superfcie de otro medio transparente, no pasa a l; es decir, no se refracta. Lo que hace en este caso es refejarse como en el mejor de los espejos.Es importante comprender que esta refexin total interna se produce solamente cuando el ngulo de incidencia supera cierto valor, conocido como ngulo lmite, el cual depende de los medios. Por ejemplo, cuando los medios son vidrio y aire, este ngulo es de unos 42 (dependiendo principalmente del tipo de vidrio), y cuando es agua y aire, es de unos 48. La aplicacin de mayor impacto es la fbra ptica. Ella se emplea hoy en da principalmente en comunicaciones, presentando grandes ventajas en esta materia. Se trata de delgadsimos conductores de luz de solo unas centsimas de milmetro de dimetro y de centenares de metros de longitud. Como lo ilustra la siguiente fgura, la luz que ingresa por uno de los extremos de la fbra sale por el otro y no por sus paredes, pues en ellas se produce refexin total interna.Adems, gracias a instrumentos construidos con fbras pticas, los mdicos pueden examinar los rganos internos de sus pacientes mediante una tcnica que no resulta invasiva. Prismaticos Fibra opticaLAS LENTES Las lentes son dispositivos pticos que permiten refractar la luz de manera regular, de acuerdo a ciertas reglas. En la siguiente fgura se ha representado una lente y algunos de los elementos que nos interesan para comprender lo que ocurre en ellas: su eje ptico, el plano de la lente, sus focos (F) y su distancia focal (f).Lentes convergentes y divergentesAquellas lentes que poseen mayor espesor en el centro que en los bordes se denominan lentes convergentes y lentes divergentes aquellas en que ocurre lo contrario. La siguiente fgura muestra la diferencia fundamental entre estos dos tipos de lentes. En las convergentes, rayos de luz que llegan a ellas paralelos al eje ptico, convergen hacia el foco que est del otro lado de la lente. En las divergentes en tanto, divergen como si vinieran del foco que est del mismo lado.Lentes convergentesLentes divergentesEl cristalino corresponde a una lente convergente yen la retina se forma una imagen real e invertida de las cosas que vemos. Es importante darse cuenta de que podemos ver cosas distantes y cercanas. Las ms cercanas las podemos enfocar bien cuando se hallan a poco ms de 15 centmetros y las ms lejanas a varios cientos de metros, dependiendo de las condiciones de visibilidad del aire. Esto signifca que, para que la imagen quede correctamente enfocada en la retina, el cristalino debe cambiar su distancia focal. Ello lo consigue cambiando su curvatura por medio de los ligamientos. Como se indica en la siguiente fgura, si lo que miramos est cerca, el cristalino reduce su distancia focal hacindose ms grueso en el centro (a) y a la inversa si el objeto est lejos (b)La ptica del ojoAl ojo lo afectan muchas enfermedades, pero las ms frecuentes consisten en la difcultad para enfocar correctamente las imgenes en la retina. Un caso es el de la miopa, en que la imagen se forma antes de la retina; y el otro caso es el de la hipermetropa, en que se forma despus. Afortunadamente, ambos casos se corrigen muy fcilmente por medio de lentes. En el primer caso que es la miopia basta anteponer al ojo una lente divergentey en el segundo, una lente convergente , segn se indica en la siguiente fgura.