Luz y Óptica geometrica

La luz y la óptica geométrica

la óptica se ocupa del estudio de la luz, de sus características y de sus manifestaciones.

la reflexión y la refracción por un lado, y las interferencias y la difracción por otro, son algunos, de los fenómenos ópticos fundamentales.

• los primeros pueden estudiarse siguiendo la marcha de los rayos luminosos.
• los segundos se interpretan recurriendo a la descripción de forma de onda.

El conocimiento de las leyes de la óptica permite comprender como y porque se forman esas imágenes, que constituyen para el hombre la representación mas valiosa de su mundo exterior.

"Una casa o un árbol proyectando sombra en un día soleado, un espejo o la superficie de un estanque devolviendo nuestra propia imagen, la apariencia quebrada de una varilla parcialmente sumergida en el agua, la ilusión de presencia de agua sobre el asfalto recalentado, el arco iris cruzando el cielo después de una tormenta, son parte de las incontables experiencias visuales que responden a tres simples leyes empíricas"(B.Rossi).

La orientación de este capitulo respetara, en cierta medida, la sabia indicación de la evolución histórica sobre el estudio  de la luz, y dará prioridad a lo que es la óptica geométrica:

el estudio del comportamiento de haces y rayos luminosos ante espejos o a su paso por medios transparentes como laminas, prismas o lentes.

Propagación de la luz

Las diferentes sustancias materiales se pueden clasificar en:

• opacas
• transparentes
• traslucidas

Aunque la luz es incapaz de traspasar las opacas, puede atravesar las otras.Las sustancias transparentes tienen, ademas, la propiedad de que la luz sigue en el interior una sola dirección.

En un medio que ademas de ser transparentes sea homogéneo, es decir, que mantenga propiedades idénticas en cualquier punto del mismo, la luz se propaga en linea recta.

Un conjunto de rayos que parten de una misma fuente se denomina haz.

Velocidad e indice de refracción 

La velocidad con que la luz se propaga a través de un medio homogéneo y transparente es constante características de dicho medio, y por tanto, cambia de un medio a otro.

Debido a su enorme magnitud la medida de la velocidad de la luz C ha requerido la invención de los procedimientos ingeniosos que superaran el inconveniente que suponen las cortas distancias terrestres en relación con tan extraordinaria rapidez.

Ejemplo:

En el agua lo hace a 225 000 km/s y en el vidrio a 195 000 km/s.

En óptica se suele comparar la velocidad de la luz en medio transparente con la velocidad de la luz en el vacío, mediante el llamado indice de refracción absoluto n del medio: se define como el cociente entre la velocidad c de la luz en el vacío y la velocidad v de la luz en el medio, es decir:

 

La reflexión de la luz

Al igual que la reflexión de las ondas sonoras, la reflexión luminosa es un fenómeno en virtud del cual la luz al incidir sobre la superficie de los cuerpos cambia de dirección, invirtiéndose el sentido de su propagación.

Características:

La reflexión regular tiene lugar cuando la superficie es perfectamente lisa.

La reflexión luminosa puede ser regular o difusa.

Un espejo o una lamina metálica pulimentada reflejan ordenadamente un haz de rayos conservando la forma del haz.

La reflexión difusa se da sobre los cuerpos de superficies mas o menos rugosas.

El angulo de incidencia e: es el formado por el rayo incidente y la normal.

El angulo de reflexión e': es el que forma la normal y el rayo reflejado.

Las leyes de la reflexión en los siguientes términos:

primera ley: el rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran sobre un mismo plano.

segunda ley: el angulo de incidencia es igual al angulo de reflexión (e=e').

Refracción de la luz

Se denomina refracción luminosa al cambio que experimenta la dirección de propagación de la luz cuando atraviesa oblicuamente la superficie de separación de dos medios transparentes de distinta naturaleza.

Los lentes, las maquinas fotográficas, el ojo humano, en general, la mayor parte de los instrumentos ópticos basan su funcionamiento en este fenómeno óptico.

El fenómeno de la refracción va, en general, acompañado de una reflexión, mas o menos débil, producida en la superficie que limita los dos medios transparentes.

El haz, al llegar a esa superficie limite, en parte se refleja y en parte se refracta, lo cual implica que los haces reflejado y refractado tendrán menos intensidad luminosa que el rayo incidente.

Las leyes de la refracción

Al igual que las leyes de la reflexión, las de la refracción poseen un fundamento experimental.

Las leyes que rigen el fenómeno de la refracción pueden, entonces, expresarse en la forma:

primera ley:el rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano.

segunda ley(ley de snell):los senos de los ángulos de incidencia e1 y de refracción e2 son directamente proporcionales a las velocidades de propagación v1 y v2 de la luz en los respectivos medios.

o en otros términos:

n1 . sen e1 = n2 . sen e2 = cte (14.5)

Esto indica que el producto del seno del angulo e por el indice de refracción del medio correspondiente es una cantidad constante y, por tanto, los valores de n y sen e para un mismo medio son inversamente proporcionales.

Debido a que la función trigonométrica seno es creciente para ángulos menores de 90 grados, de la ultima ecuación (14.5) se deduce que si el indice de refracción ni del primer medio es mayor que el del segundo n2, el angulo de refracción e2 es mayor que el de incidencia e1 y , por tanto, el rayo refractado se aleja a la normal.

Objetos e imágenes

En ocasiones los rayos de luz que, procedentes de un objeto, alcanzan el ojo humano y forman una imagen en el, han sufrido transformaciones intermedias debidas a fenómenos ópticos tales como la reflexión o la refracción.

Todos los aparatos ópticos, desde el mas sencillo espejo plano al mas complicado telescopio, proporcionan imágenes mas o menos modificada de los objetos.

La determinación de las relaciones existentes entre un objeto y su imagen correspondiente, obtenida a través de cualquiera de estos elementos o sistemas ópticos, es uno de los propósitos de la óptica geométrica.

Espejos

Formación de imágenes en espejos planos: conforme se deduce de las leyes de la reflexión, la imagen p' de un punto objeto p respecto de un espejo plano S' estará situada al otro lado de la superficie reflectora a igual distancia de ella que el punto objeto P.

Las características ópticas fundamentales de todo espejo esférico son las siguientes:

• centro de curvatura C: es el centro de la superficie esférica que constituye el espejo.
• radio de curvatura R: es el radio de dicha superficie.
• vértice V: coincide con el centro del espejo.
• eje principal: es la recta que une el centro de curvatura C con el vértice V.
• foco: es un punto del eje por el que pasan o donde convergen todos los rayos reflejados que inciden paralelamente al eje.

Se pueden ser analizadas mediante diagramas de rayos:

• el objeto esta situado respecto del eje mas allá del centro de curvatura C. En tal caso la imagen formada es real, invertida y de menor tamaño que el objeto.
• el objeto esta situado entre el centro de curvatura c y el foco F. La imagen resulta entonces real, invertida y de mayor tamaño que el objeto.
• el objeto esta situado entre el foco F y el vértice V. El resultado es una imagen virtual, directa y de mayor tamaño que el objeto.

Laminas y prismas
La luz en las laminas.Cuando la luz atraviesa una lamina de material transparente el rayo principal sufre dos refracciones, pues encuentra en su camino dos superficies de separación diferentes.
En prisma óptico. Un prisma óptico es, en esencia, un cuerpo transparente limitado por dos superficies planas no paralelas.
El estudio de la marcha de los rayos en un  prisma óptico es semejante al realizado para laminas paralelas, solo que algo mas complicado por el hecho de que al estar ambas caras orientadas según un angulo, las normales correspondientes no son paralelas y el rayo emergente se desvía respecto del incidente.

El prisma óptico fue utilizado sistemáticamente por Isaac Newton en la construcción de su teoría de los colores diferentes, rojo, anaranjado, amarillo, verde,azul,añil y violeta.

Lentes
los lentes son objetos transparentes, limitados por dos superficies esféricas o por una superficie esférica y otra plana, que se hallan sumergidas en un medio, asimismo transparente, normalmente aire.
Con lentes se corrigen los diferentes defectos visuales, se fabrican los microscopios, las maquinas fotográficas, los proyectores y muchos otros instrumentos ópticos.
Tipos de lentes
De la combinación de los tres posibles tipos de superficies limites, cóncava, convexa y plana, resultan las diferentes clases de lentes.
Según su geometría pueden ser biconcavas, biconvexas, plano-concavas, plano convexas y cóncavo-convexas.
Desde el punto de vista de sus efectos sobre la marcha de los rayos es posible agrupar los diferentes tipos de lentes en dos grandes categorías: lentes convergente y lentes divergentes.

Naturaleza de la luz
ha sido un objeto de la atención de filósofos y científicos desde tiempos remotos.
Y en la antigua Grecia se conocían y se manejaban fenómenos y características de la luz tales como la reflexión, la refracción y el carácter rectilíneo de su propagación, entre otros.

la luz como onda electromagnética
el físico escoces James Clark Maxwell en 1865 situó en la cúspide las primitivas ideas de Huygens, aclarando en que consistían las ondas luminosas.
Maxwell identifico las ondas luminosas con sus teóricas ondas electromagnéticas, prediciendo que estas deberían comportarse de forma semejante a como lo hacían aquellas.
La comprobación experimental de tales predicciones vino en 1888 de la mano del físico alemán Henrich Hertz, al lograr situar en el espacio campos electromagnéticos viajeros, que fueron los predecesores inmediatos de las actuales ondas de radio.

Referencia Bibliografica:
http://html.rincondelvago.com/luz-y-optica-geometrica.html