Ideas esenciales
LA LUZ Y SUS PROPIEDADES
Definición : Luz
Denominamos luz, a aquella parte del espectro de las ondas electromagnéticas a la que el ojo humano es sensible, es decir, que es capaz de producir la visión.
La velocidad de la luz en el vacío es de 300 000 km/s.
El ojo únicamente es sensible a las ondas electromagnéticas de frecuencias entre 430 000 GHz y 750 000 GHz, aproximadamente. En este rango existe toda una gama de oscilaciones de diferentes frecuencias[1] que, al incidir en el ojo, producen las sensaciones de los diversos colores.
Propiedades de la luz
La velocidad de la luz en el vacío no ha sido superada por la de ningún objeto o movimiento existente en la naturaleza. En cualquier otro medio, la velocidad de la luz es inferior.
Numerosos hechos de la vida nos demuestran que la luz se propaga de diferentes maneras según sea el medio por el que viaja.
En medios homogéneos | En medios no homogéneos |
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La luz se propaga en línea recta en medios homogéneos y transparentes. | La luz cuando se propaga en un medio no homogéneo, puede desviarse. |
Fundamental :
En los medios homogéneos y transparentes la luz se propaga en línea recta, pero en los no homogéneos puede desviarse.
Los eclipses, de Sol y de Luna, son hechos astronómicos que demuestran que la luz se propaga en línea recta en medios homogéneos y transparentes.
Cuando la luz incide sobre los cuerpos una parte puede ser: reflejada[3], otra parte absorbida y otra transmitida[4]. Las proporciones en que esto ocurre dependen de las propiedades de los cuerpos sobre los que incide. Para indicar la dirección de propagación de la luz (onda luminosa) se utiliza el modelo "rayo de luz[5]". La zona dentro de la cual se propaga la luz procedente de una fuente, se denomina "haz de luz"[6].
Otra característica de la propagación de la luz es la difracción[7]. Esta se pone de manifiesto cuando se coloca una pantalla lejos del objeto, de modo que la sombra sea lo suficientemente grande, o esta se observe por medio de una lupa, advertiremos que en realidad, los bordes de la sombra de un objeto no están tan bien definidos como parece.
Comportamiento de los haces de luz cuando se cruzan entre sí
Los haces de luz procedentes de diferentes fuentes permanecen inalterables aún cuando los estos se crucen en su camino hacia una superficie.
Cuando varios haces luminosos se cruzan entre sí, después, ellos continúan su propagación sin modificarse.
VISIBILIDAD DE LOS CUERPOS
¿Cómo se produce la visibilidad de los cuerpos que nos rodean?
Al entrar a una habitación oscura no nos percatamos de los cuerpos que se encuentran en su interior, sin embargo, cuando encendemos la luz o un fósforo nos damos cuenta de ellos. Esto se debe a que todos los cuerpos poseen la propiedad de reflejar[3] parte de la luz que incide sobre ellos, aunque todos no la reflejan por igual. La visibilidad de la gran mayoría de los cuerpos solo es posible gracias a esta propiedad.
Los cuerpos que emiten luz por sí mismos se denominan fuentes de luz propia y los que la reflejan fuentes de luz reflejada.
Fuentes de luz propia
| Fuentes de luz reflejada
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Las fuentes de luz "propia" existen en número relativamente pequeño: el Sol, las estrellas, las lámparas, la llama de un fósforo o de una vela. | Son ejemplos de este tipo de fuente: la Luna, el paisaje, las obras de arte, en general, todos los cuerpos que apreciamos y que no emiten luz propia, ellos son visibles debido a que reflejan la luz que reciben de otros. |
Fundamental :
Vemos los cuerpos cuando la luz procedente de él, ya sea propia o reflejada, llega a los ojos.
La visibilidad de los objetos que nos rodean también depende de la cantidad de luz que les llega. Esta se caracteriza mediante el concepto de iluminación que depende: directamente de la intensidad luminosa de la fuente, inversamente de la distancia a ella y de la inclinación del haz de luz respecto a la superficie sobre la que incide.
Otro factor, del que depende la visibilidad de un cuerpo, es el contraste entre la cantidad de luz que llega a nuestros ojos procedente de él y de otros cuerpos.
Los objetos que vemos se aprecian con un determinado color ¿a qué se debe esto?.
La luz habitual es una mezcla de oscilaciones electromagnéticas de diversas frecuencias, correspondientes a diferentes colores. Newton obtuvo el clásico espectro de colores[1], haciendo incidir sobre un prisma la luz solar procedente de la rendija de una persiana.
Cuando el haz de luz atraviesa un prisma, se desvía y se hace más ancho, ocurriendo la separación de los colores que lo componen. Este fenómeno se conoce como dispersión cromática, o de colores, de la luz.
Este conocimiento conduce a la hipótesis de que cuando la luz blanca incide sobre los cuerpos, estos no la tiñen de determinados colores, sino que más bien le suprimen algunos de ellos.
El color de un objeto iluminado con luz blanca está determinado por los colores del espectro que refleja. Un objeto se ve rojo cuando refleja la luz roja mejor que la de otros colores; verde, cuando refleja mejor la luz verde, etc
REFLEXIÓN DE LA LUZ
Los espejos y las lentes son dispositivos que utilizan los seres humanos tanto en su vida cotidiana como en la técnica. Para explicar la formación de imágenes en ellos y para construir dispositivos ópticos con determinadas características, se requiere estudiar los fenómenos de la reflexión y refracción de los haces luminosos.
Cuando la luz incide sobre una superficie metálica pulimentada, la superficie del agua o sobre los espejos, el haz reflejado está perfectamente definido. En estos casos, la reflexión es regular o especular.
Cuando un haz de luz incide sobre una superficie irregular (no pulimentada) el haz reflejado no se refleja en un dirección bien definida. En estos casos la reflexión es irregular o difusa.
Este tipo de reflexión es esencial para la visibilidad de los objetos que nos rodean debido a que la mayoría de las superficies de los cuerpos que vemos presentan irregularidades, no son pulidas.
Cuando variamos el haz de luz incidente, también varía el haz reflejado. En general, la dirección del haz reflejado depende de la dirección del incidente.
Estudio de caso : Estudio de las leyes de la reflexión
Interactúa con el recurso y realiza la siguiente actividad:
Varía el rayo incidente y compara:
- los valores de los ángulos que se forman entre el rayo incidente y la perpendicular al espejo en el punto de incidencia, y el que se forma entre el rayo reflejado y dicha perpendicular.
- ¿Qué puedes decir acerca del plano que contiene al rayo incidente, el rayo reflejado y la perpendicular al espejo en el punto de incidencia?
: Leyes de la reflexión de la luz
Primera ley de la reflexión[8]
El rayo reflejado está en el plano que contiene al rayo incidente y es perpendicular al espejo.
Segunda ley de la reflexión[9]
El ángulo de reflexión es igual que el ángulo de incidencia. ( r=i )
Formación de imágenes en espejos planos
Utilizando las leyes de la reflexión se pueden explicar la formación de imágenes en los espejos. Los espejos se clasifican en: planos y esféricos.
Aplicando las leyes de la reflexión | Aplicando la propiedad de [10]simetría |
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Consideremos que frente al espejo se ha colocado un objeto muy pequeño que puede ser considerado como el punto (O). Aplicando la segunda ley de la reflexión a los rayos que parten del punto "O" e inciden sobre el espejo (bordes del haz incidente) podemos encontrar la trayectoria que sigue el haz después de reflejarse. Cuando se coloca el ojo del modo ilustrado, el haz parece provenir del punto (O`). | - Trazar perpendiculares al espejo que partan de los extremos del lápiz (puntos O y A) - Prolongar las perpendiculares del otro lado del espejo - Medir la distancia de los puntos (O y A) al espejo, y trasladarla sobre la perpendicular detrás del espejo. - Denotar los puntos imágenes -Trazar la imagen del objeto |
REFRACCIÓN DE LA LUZ
Al hacer incidir con cierta inclinación un haz de luz sobre la superficie del agua, se observa un haz tenue reflejado y otro que penetra desviándose bruscamente de la línea perpendicular al punto de incidencia. Este fenómeno recibe el nombre de refracción de la luz. La razón de estas desviaciones radica en el cambio de velocidad de la luz al pasar de un medio a otro.
Estudio de caso : Estudio de las leyes de la refracción
Interactúa con el recurso y realiza la siguiente actividad:
Varía el rayo incidente y compara:
- los valores de los ángulos que se forman entre el rayo incidente y la perpendicular al punto de incidencia, y el que se forma entre el rayo que atraviesa la superficie de separación entre los dos medios (rayo refractado) y dicha perpendicular.
- ¿Qué puedes decir acerca del plano que contiene al rayo incidente, el refractado y la perpendicular al punto de incidencia?
: Leyes de la refracción de la luz
Primera ley de la refracción[14]: El rayo refractado está en el plano determinado por el rayo incidente y la perpendicular a la superficie en el punto de incidencia.
La ecuación que relaciona los ángulos de incidencia y refracción, denominada segunda ley de la refracción, cualitativamente, expresa que:
Si el ángulo de incidencia es de 0°, el ángulo de refracción también es de 0°. Por otra parte, a medida que aumenta el ángulo de incidencia, también aumenta el ángulo de refracción.
Cuando el haz de luz pasa de un medio a otro en que su velocidad es menor (por ejemplo, del aire al agua o al vidrio), el rayo refractado se acerca a la perpendicular a la superficie en el punto de incidencia. Y a la inversa, si pasa de un medio a otro en que su velocidad es mayor (por ejemplo, del agua o vidrio al aire), el rayo refractado se aleja de dicha perpendicular.
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Si el ángulo de incidencia es de 0°, el ángulo de refracción también es de 0° | Cuando el haz de luz pasa de un medio de menor densidad óptica a otro de mayor (por ejemplo, del aire al agua o al vidrio), el ángulo de refracción es menor que el de incidencia. | Cuando el haz de luz pasa de un medio de mayor densidad óptica a otro de menor (por ejemplo, del agua o el vidrio al aire, el ángulo de refracción es mayor que el de incidencia. |
Un caso particular de la refracción de la luz es la reflexión total interna. En este fenómeno se basa el funcionamiento de las fibras ópticas (conductores de luz).
LENTES Y ESPEJOS ESFÉRICOS
En la construcción de diversos dispositivos ópticos (proyectores, lupas, microscopios, cámara fotográfica, telescopios, etc) se utilizan lentes y ciertos espejos curvos. Lo más común es emplear lentes y espejos esféricos. En particular profundizaremos en los espejos cóncavos y en las lentes convergentes.
Tanto en los espejos esféricos como en las lentes, existen un grupo de rayos que al incidir en un espejo esférico o en una lente siempre se reflejan o se refractan, respectivamente, de igual modo, se denominan rayos notables o característicos. Utilizándolos podemos comprender, cómo se forman las imágenes en este tipo de espejo, y por qué poseen las características que poseen.
Fundamental : Rayos notables o característicos
ESPEJOS ESFÉRICOS | LENTES | ||
|---|---|---|---|
Rayo paralelo
| Cuando un haz de rayos paralelos inciden sobre un espejo cóncavo, se reflejan y pasan por un punto sobre el eje óptico principal. Este punto se denomina foco principal del espejo (F). Punto C. Centro óptico Polo (P). representado en el punto de intersección entre el eje óptico principal y el espejo. f. distancia focal. Corresponde a la distancia entre el vértices o polo del espejo y el foco principal. La distancia focal es la mitad de la distancia entre P y C. | Rayo paralelo
| Rayos incidentes paralelos al eje óptico principal convergen en un punto sobre el eje óptico denominado foco principal (F). |
Rayo focal
| Los rayos luminosos que inciden sobre el espejo después de pasar por su foco principal, o que partan de este, se propagan paralelamente al eje óptico principal. | Rayo focal
| Rayos incidentes que pasan por el foco después de incidir en la lente, se propagan paralelamente al eje óptico. |
Rayo central
| Los rayos luminosos que pasan por el centro óptico del espejo en la dirección de sus radios de curvatura, al reflejarse en el espejo no se desvían. | Rayo central
| Los rayos que inciden por el centro de la lente no cambian su dirección de propagación al atravesar la lente. |
Utilizando los rayos notables es posible conocer cómo se forman las imágenes utilizando espejos esféricos y lentes, así como, las características que presentará la imagen que se obtiene.
¿Cómo se forman las imágenes en los espejos esféricos y las lentes?
Para esquematizar la formación de imágenes en los espejos esféricos (cóncavos) y las lentes empleamos los rayos notables o característicos.
Método :
Supongamos que tenemos un objeto situado frente a un espejo cóncavo y otro frente a una lente. ¿Cómo proceder para determinar esquemáticamente la imagen del objeto?
Seleccionar los rayos característicos que vamos a emplear (con dos es suficiente).
Trazar a cada punto del objeto, con los instrumentos necesarios, los rayos característicos seleccionados.
En el punto donde se interceptan los rayos reflejados, refractados, o sus prolongaciones, en dependencia de si es un espejo o una lente, ahí se encontrará la imagen del punto desde donde partieron los rayos incidentes.
Trazar y nombrar la imagen del objeto.
Ejemplos:
Saber más sobre la formación de imágenes en espejos esféricos y las lentes.
Simulación : Fenómenos luminosos
Interactúa con el recurso y comprueba lo estudiado.
DISPOSITIVOS ÓPTICOS
Existen una serie de dispositivos ópticos, entre los que se pueden mencionar lupas, microscopios, proyectores, cámaras fotográficas, telescopios, que utilizan como componentes principales lentes y espejos. La formación de imágenes en estos dispositivos se debe al cumplimiento de las leyes de la reflexión y refracción de la luz.
En los diferentes dispositivos ópticos se utilizan lentes y espejos según sea su fin. Ellos se emplean con el propósito de dirigir los haces luminosos en determinadas direcciones y obtener imágenes con las características deseadas.
LUPA | CÁMARA FOTOGRÁFICA |
|---|---|
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MICROSCOPIO | TELESCOPIO |
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Estudio de caso : El ojo como dispositivo óptico
El ojo es un dispositivo óptico formado por una lente convergente (cristalino) y una pantalla (retina).
El ojo tiene la forma de un globo aproximadamente esférico, de un diámetro comprendido entre 2,3 y 2,5 cm. Los medios transparentes que lo constituyen ( córnea, humor acuoso, cristalino y humor vítreo) actúan, en conjunto, como una lente convergente de 1,7 cm de distancia focal, aproximadamente. La luz penetra en el ojo por la pupila, la cual es una abertura que hay en el iris. Mientras menor sea la iluminación de los objetos que observamos, mayor será la abertura de la pupila. Este mecanismo de regulación se realiza automáticamente, sin que seamos conscientes de ello. En la retina, la cual constituye una especie de pantalla, se forma una imagen invertida del objeto que miramos. La sensación visual se produce cuando la luz incide en las terminaciones nerviosas de la retina. El ojo humano, desde el punto de vista óptico, puede representarse como una "lente convergente" y la pantalla que es la retina. La distancia entre la "lente" y la "pantalla" es fija y no varía al mirar objetos a diferente distancia, unos más cercanos y otros más alejados.
Para corregir los defectos visuales se utilizan los espejuelos o los lentes de contacto.