Tema 5 : La luz y las ondas electromagnéticas
1)Naturaleza de la luz 2)Ondas y espectro electromagnéticos 2.1)Ondas electromagnéticas; propiedades. 2.2)Espectro electromagnético. 3)Reflexión y refracción de la luz; índice de refracción.
4)Dispersión.
5)Formación de imágenes en en espejos. 6)Formación de imágenes en lentes delgadas. 7)El ojo. Defectos y su corrección. 8)Instrumentos ópticos.
---1)Naturaleza de la luz.
1 .1 )Teoría corpuscular de Newton (1704) La luz está formada por partículas diminutas, emitidas a gran velocidad y en línea recta par los cuerpos luminosos. Con esta teoría Newton explicaba la propagación rectilínea de la luz, la reflexión y la refracción. Para explicar la refracción tenía que suponer que la luz se propagaba a más velocidad en los medios más densos. 1.2)Teoría ondulatoria. Huygens publicó en 1690 un libro donde suponía que la luz se propagaba como una onda. Explicaba también la reflexión y la refracción, pero la luz (al contrario de Newton) debía
propagarse con menos velocidad en los medios más densos. Debido a la gran autoridad científica de Newton, a mayoría de los científicos pensaron que la teoría de Newton era la correcta.
En 1801 Young explicó las interferencias considerando a la luz como una onda. En1815 Fresnel explicó la difracción considerando a la luz como una onda.
En 1850 Foucault demostró experimentalmente que la luz se movía más lentamente en el agua que en el aire con lo que la teoría corpuscular de Newton (luz formada por partículas) fue desechada.
1 .3 )Teoría electromagnética de Maxwell
En 1865 Maxwell formuló unas ecuaciones matemáticas que describían unas ondas llamadas electromagnéticas y que consistían en la propagación de campos eléctricos y magnéticos conjuntamente. De estas ecuaciones se deducía que las ondas electromagnéticas debían
propagarse por el vacío a 3 108 mls, velocidad que coincidía con la de la luz en el vacío. Maxwell
pensó pues que la luz debía ser una onda electromagnética. Esto lo confirmó Hertz experimentalmente en 1887. La luz era una onda, y además electromagnética.
1.4)Hoy se considera que la radiación electromagnética presenta en ciertos experimentos carácter corpuscular(efecto fotoeléctrico) y en otros carácter de onda (interferencias, refracción, etc.).
Tanto Newton como Huygens tenían razón; la luz es a la vez onda y partícula. 2)Ondas y espectro electromagnéticos
2.1)Ondas electromagnéticas; propiedades.
Son ondas armónicas por tanto se pueden expresar como E = E0 sen (wt – kx) para el campo
eléctrico o B = B0 sen (wt – kx) para el magnético.
Su velocidad en el vacio es c = 300.000 km/s siendo inferior en medios materiales. La relación entre los dos es E = B c .
2.2)Espectro electromagnético.
Es la secuencia de las distintas ondas electromagnéticas ordenadas según su longitud de onda o su frecuencia.
utilizados en los mandos a distancia, en fotografía, investigación biológica,etc., le sigue la luz visible que se utiliza en iluminación y el láser, le sigue la radiación ultravioleta que se utiliza para el control de plagas, y en medicina, le siguen los rayos X que se utilizan en medicina, la industria e investigación científica, y finalmente los rayos gamma que se utilizan en medicina para esterilizar, o en metalurgia.
3)Reflexión y refracción de la luz; índice de refracción.
Por el vacío las distintas radiaciones electromagnéticas van a la misma velocidad c, pero al pasar por medios materiales su velocidad depende de la frecuencia(a mayor frecuencia mayor
disminución de la velocidad).
La luz por un medio se propaga en línea recta lo que provoca sombras y penumbras cuando se encuentra con objetos, y explica la formación de los eclipses.
Cuando la luz se refleja subre una superficie rugosa o curva la reflexión se llama difusa y cuando la superficie es plana y lisa la reflexión se llama especular o nítida.
La luz se propaga como una onda con lo que las leyes de la refracción y reflexión siguen siendo válidas para ella, así como la invariabilidad de la frecuencia al pasar de un medio a otro, y la variación de su velocidad y longitud de onda. También como onda presenta los fenómenos de interferencia y difracción observándose los máximos como zonas más iluminadas y los mínimos como zonas más oscuras.
En lo referente a la refracción la expresión:
=
que nos indica que la proporción entrelas velocidades en dos medios es igual a la de los senos de los ángulos que forman la dirección de las ondas con la normal. Se denomina índice de refracción absoluto de un medio al cociente
de la velocidad de la luz en el vacio c entre su velocidad en el medio v: n = . Si expresamos
las velocidades en función de la longitud de onda se obtiene: n = donde 0y son
respectivamente las longitudes de onda en el vacío y en el medio.
De las dos anteriores fórmulas se deduce la ley de Snell n1 sen
i = n2 sen
Rdonde n1y n2 son losíndices de refracción del primer y segundo medio respectivamente.
En el caso de que la luz pase a un medio de menor índice de refracción se alejará de la normal y existirá un ángulo llamado ángulo límite para el que el ángulo en el segundo medio sea de 90º lo que significa que ya no pasa a éste medio y por tanto la luz para ángulos mayores que el ángulo límite se queda en el primer medio es decir sólo se refleja fenómeno llamado reflexión total.
En la fibra óptica la información se transmite mediante pulsos de luz con un ángulo de reflexión mayor que el límite a través de unos hilos de fibra de vidrio o plástico.
4)Dispersión.
La diferente frecuencia de los colores de la luz hace que la desviación de los rayos al pasar de un medio a otro será distinta dependiendo de su frecuencia. Por tanto cuando la luz blanca (que contiene todas las frecuencias de la luz) pasa a través de un medio se obtienen todos los colores de dicha luz fenómeno que se conoce como dispersión.
La dispersión de la luz en las gotas de lluvia produce el arco irise.
5)Formación de imágenes en en espejos.
La luz reflejada en los espejos produce imágenes. Veremos dos tipos de espejos los planos y los esféricos.
En el caso del espejo esférico puede ser convexo o cóncavo.
En los espejos convexos la imagen es virtual, derecha y menor. Para formar la imagen los rayos que apuntan al centro de curvatura no cambian de dirección y los paralelos al eje óptico se
reflejan apuntando hacia el foco. El centro de curvatura C es el centro de la esfera y el foco F equidista del espejo y el centro de curvatura. Los retrovisores de los coches son de este tipo.
En un espejo cóncavo conforme nos acercamos al espejo la imagen siendo real, invertida y menor que el objeto, va aumentando de tamaño hasta igualar el tamaño del objeto al llegar al centro de curvatura, y de mayor tamaño a partir de ese punto hasta llegar al foco donde los rayos salen paralelos. A partir del foco, la imagen es mayor que el objeto, derecha y virtual. Para formar la imagen se observa que los rayos paralelos al eje óptico se reflejan pasando por el foco y los que pasan por el centro de curvatura no cambian de dirección.
6)Formación de imágenes en lentes delgadas.
dioptrios (superficies normalmente esféricas) cuyos centros se encuentran en una recta llamada eje óptico.
Existen dos tipos de lentes: convergentes que tienden a unir los rayos, que suelen ser más gruesas en su parte central, y las divergentes que tienden a separar los rayos, siendo éstas más gruesas en los extremos.
Vamos a considerar el caso de lentes delgadas convergentes, que tienen dos focos situados a la misma distancia de la lente(distancia focal), el foco imagen F2 por donde pasan los rayos que
inicialmente van paralelos al eje ópticos, y el foco objeto F1 por donde pasan los rayos que tras
atravesar la lente salen paralelos. Los rayos que pasan por el centro geométrico de la lente)centro óptico) no se desvían.
En las lentes convergentes conforme nos acercamos a la lente la imagen siendo real, invertida y menor que el objeto, va aumentando de tamaño hasta igualar el tamaño del objeto al llegar al doble de la distancia focal, y de mayor tamaño a partir de ese punto hasta llegar al foco donde los rayos salen paralelos. A partir del foco, la imagen es mayor que el objeto, derecha y virtual. Éste último caso representaría el caso de la lupa.
En el caso de lentes delgadas divergentes, la imagen es virtual derecha y menor que el objeto. De este tipo son las mirillas de las puertas.
7)El ojo. Defectos y su corrección.
Miopía.
El ojo miope tiene un sistema óptico con un exceso de convergencia.
La persona miope no ve bien de lejos. Los objetos situados en el infinito forman la imagen delante de la retina y se ven borrosos. Se corrige con una lente divergente.
Hipermetropía
Es un defecto de convergencia del sistema óptico del ojo. El foco imagen del ojo está detrás de la retina cuando el ojo está en actitud de descanso sin empezar la acomodación.
Se corrige con lentes convergentes.
Presbicia
Vista cansada. Con el paso de los años se reduce la capacidad de adaptación del cristalino (pierde flexibilidad) y aumenta la distancia a la que se encuentra el punto próximo. Se corrige con lentes convergentes.
Astigmatismo
Si el ojo tiene una córnea deformada los objetos puntuales dan como imágenes líneas cortas. Este defecto se llama astigmatismo y para corregirlo es necesario una lente cilíndrica
compensadora.
