FISICA – UNIDAD P.S.U. – ONDAS “LA LUZ” – ESPEJOS – LENTES

La óptica estudia la naturaleza de la luz, sus fuentes de producción, su propagación y los fenómenos que experimenta y produce. La luz visible forma parte de un fenómeno mucho más amplio llamado espectro electromagnético. Una pequeña porción de ese espectro nos permite ver los objetos que nos rodean y clasificar esa información en diferentes tonos, profundidades, tamaños, etc. Desarrollo Histórico

Fenómenos ondulatorios de la luz

1) Reflexión: La luz viaja en línea recta y a una velocidad de 300.000 km/s en el vacío, la que se considera la velocidad máxima en el Universo conocido. Cuando un rayo luminoso llega a la superficie de un medio de distinta densidad, puede ser transmitido a través de él o reflejado (o ambas cosas).

a.- Reflexión especular: Cuando la luz llega en forma de rayos paralelos incidiendo sobre una superficie plana y muy lisa, los rayos reflejados son también paralelos.

b.- Reflexión difusa: Si la superficie es rugosa, los rayos reflejados salen en todas las direcciones, porque la normal en diferentes puntos puede ser distinta, produciéndose una reflexión difusa.

Ya sea reflexión especular o difusa el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Índice de refracción: Se denomina índice de refracción al cuociente entre la velocidad de la Luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en el nuevo medio (v) y se simboliza con la letra (n) siendo un valor adimensional (sin unidad de medida).

Por otra parte:

Liceo Santa Marta Física – 4° Medio

Profesor: Juan Carlos Ponce Pérez jcponcep@gmail.com

Teoría corpuscular: fue enunciada por Sir Isaac Newton, quien formula que la luz estaba formada por pequeños corpúsculos (partículas) emitidos por los cuerpos luminosos que podían penetrar las sustancias transparentes (fenómenos de refracción) y reflejarse en las superficies de los cuerpos opacos (fenómenos de reflexión). Se utilizó para explicar la propagación rectilínea de la luz.

Teoría ondulatoria: iniciada por Christian Huygens, quien asumía que la luz estaba formada por ondas como las del sonido, explicando en ese entonces los fenómenos de reflexión, refracción y doble refracción recientemente descubierto, entrando en franca contradicción con Newton.

La luz presenta naturaleza dual: Cuando se propaga (fenómeno de propagación) se comporta como una onda transversal electromagnética; pero cuando interacciona con la materia procesos de absorción y emisión mutua, entre la luz y la materia presenta carácter corpuscular (corpúsculos energéticos).

2) Refracción: “Un haz luminoso experimenta refracción si cambia su velocidad y la dirección de propagación simultáneamente al pasar de un medio a otro de distinto índice de refracción”. Si la incidencia es normal (perpendicular), varía la velocidad pero no la dirección

Ley de Snell: “la razón entre los senos de los ángulos de incidencia y de refracción es constante para un mismo par de medios”. Si n1 y n2 son los índices de refracción de los medios 1 y 2, se cumple que:

Siendo V1 y V2 las velocidades de la luz en los medios de índice de refracción n1 y n2, respectivamente.

La velocidad de la luz en un medio (de índice de refracción n) está dada por: (c= velocidad de luz vacío)

Si un rayo luminoso, pasa oblicuamente de un medio de menor índice de refracción a otro de mayor índice de refracción, se refracta acercándose a la normal.

Si un rayo luminoso pasa oblicuamente de un medio de mayor índice de refracción a otro de menor índice de refracción, se refracta alejándose de la normal.

Medio opaco: Son aquellos materiales que no permiten el paso de la luz a través de ellos, ya que la luz que les llega es absorbida y no se reemite. Medio transparente: Son aquellos medios que permiten el paso de la luz a través de ellos. 3) Difracción: La difracción corresponde al fenómeno que se produce cuando una onda, en este caso la luz, pasa a través de una rendija o rodea un obstáculo, y debido a esto se desvía. Es importante recordar que para que se note bien este fenómeno, las rendijas deben ser de magnitudes similares o de menor tamaño que la longitud de la onda.

IC: interferencia constructiva. - ID: interferencia destructiva.

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Se denomina así al conjunto de ondas electromagnéticas. En la figura se han representado las longitudes de onda en relación al tamaño de cosas que son familiares, en alguna medida, y se ha indicado el nombre que tiene cada radiación.

ESPEJOS Por espejo se entiende toda superficie en la cual se produce la reflexión regular (especular). Por ejemplo, una lámina de metal, un vidrio pulido, la superficie de un lago o estanque en reposo. Ópticamente, los espejos son superficies pulimentadas, opacas a la luz y que tienen buen poder reflector. Según la forma de la superficie reflectora, los espejos se clasifican en: • Planos • Curvos: cóncavos o convexos

DEFINICIÓN DE IMAGEN La imagen es real es aquella que se forma cuando, tras pasar por el sistema óptico, los rayos de luz son convergentes La imagen es virtual cuando no se pueden proyectar sobre una pantalla.

NOTA: Siempre las imágenes virtuales serán derechas y las reales serán invertidas, tanto en espejos como en lentes.

4) Interferencia: Este fenómeno se produce cuando dos, o más ondas, de igual naturaleza coinciden en un mismo lugar. Si las ondas llegan en fase se producirá un aumento en la amplitud de la onda y al contrario si estas llegan desfasadas se producirá una disminución de la amplitud.

ESPEJOS PLANOS En estos espejos, sólo se formará un tipo de imagen: virtual, derecha, del mismo tamaño que el objeto y detrás del espejo. En un espejo plano los rayos incidente y reflejado forman el mismo ángulo respecto de una recta imaginaria (N), perpendicular a la superficie del espejo. Un objeto real ubicado frente a un espejo plano da origen a una imagen virtual, ubicada a la misma distancia del espejo que el objeto. Todo espejo tiene un campo visual que depende del tamaño y ubicación con respecto al observador. A los ojos del observador, los rayos reflejados parecieran venir desde un punto detrás del espejo. La distancia del objeto al espejo (do) es igual a la distancia entre el espejo y la imagen (di ).

ESPEJOS ESFÉRICOS Son aquellos que tienen por superficie reflectora un casquete esférico pulimentado. Se dividen en:

a) CÓNCAVOS O CONVERGENTES: Si está pulimentado en su parte interior, o sea, si la reflexión se produce en la superficie cóncava.

b) CONVEXOS O DIVERGENTES: Si está pulimentado en su parte exterior, o sea, si la reflexión se produce en la superficie convexa.

ELEMENTOS DE UN ESPEJO ESFÉRICO Todos los espejos esféricos, cóncavos y convexos, tienen elementos importantes para la formación de imágenes en ellos,

e.- El foco principal (f): Es el punto del eje principal al cual concurren después de reflejarse, todos los rayos luminosos que inciden paralelos al eje principal.

f.- Plano focal: Es un plano perpendicular al eje principal y que pasa por el foco principal.

g.- Distancia focal: Es la distancia comprendida entre el foco principal y el vértice.

h.- Abertura del espejo: Es el ángulo formado por 2 ejes secundarios extremos. Para espejos de pequeña abertura, el foco principal está situado en el punto medio del radio de curvatura, o sea, la distancia focal f es igual a la mitad del radio de curvatura r.

a.- ESPEJOS CÓNCAVOS O CONVERGENTES Este espejo hace converger la luz en un punto. Si los rayos llegan paralelos al eje óptico convergen en el foco. Este espejo forma imágenes reales de menor, igual o mayor tamaño y forma imágenes virtuales de mayor tamaño; dependiendo de dónde se ubique el objeto con respecto al espejo.

RAYOS NOTABLES EN UN ESPEJO CÓNCAVO:

Todo rayo que incide pasando por el centro de curvatura, se refleja sobre sí mismo.

Todo rayo que incide paralelo al eje principal, se refleja pasando por el foco f.

Todo rayo que incide pasando por el foco, se refleja paralelamente al eje principal.

IMÁGENES QUE SE FORMAN EN UN ESPEJO CÓNCAVO

Imagen real, invertida,más pequeña

Imagen real, invertida, de igual tamaño

Imagen real, invertida,más grande

Imagen virtual , derecha, más grande

Si el objeto se ubica en el foco de un espejo cóncavo, no se formara imagen, ya que los rayos reflejados directos y los rayos reflejados prolongados serán paralelos entre si y no concurrirán en un punto.

b.- ESPEJOS CONVEXOS O DIVERGENTES Este espejo separa los rayos de luz y solo produce imágenes virtuales, más pequeñas que el objeto y derechas, sin importar la posición del objeto con respecto al espejo.

a.- Centro de curvatura (C): Es el centro de la esfera a la cual pertenece el espejo (es el centro, geométrico de la superficie esférica). b.- Vértice del espejo (centro óptico) (V): Es el polo del casquete esférico o punto medio del espejo. c.-Eje principal (eje óptico) (E): Es la recta que une el centro de curvatura con el vértice del espejo. d.- El radio de curvatura (r): Distancia del centro de curvatura al espejo.

RAYOS NOTABLES EN UN ESPEJO CONVEXO

Todo rayo que incide en la dirección del centro de curvatura, se refleja sobre sí mismo.

Todo rayo que incide paralelo al eje principal se refleja, de tal forma que su prolongación pasa por el foco.

Todo rayo que incide en la dirección del foco se refleja paralelo al eje principal.

IMAGEN QUE SE FORMA EN UN ESPEJO CONVEXO Este espejo solo forma imágenes virtuales, derechas y más pequeñas que el objeto.

UTILIZACIÓN DE LOS ESPEJOS

LENTES Son cuerpos transparentes limitados al menos por una superficie curva, las cuales producen imágenes por refracción. Según sea la forma de las superficies que la limitan, las lentes pueden ser convergentes o divergentes.

RAYOS NOTABLES EN UNA LENTE CONVERGENTE

Todo rayo que incide paralelo al eje principal se refracta pasando por el foco.

Todo rayo que incide pasando por el foco se refracta paralelo al eje principal.

Todo rayo que pasa por el centro de óptico se refracta sin sufrir desviación.

Las lentes convergentes, formarán distintas imágenes dependiendo la ubicación del objeto frente de ella.

IMAGENES QUE SE FORMAN EN UNA LENTE CONVERGENTE

Imagen real,invertida, más pequeña

Imagen real, invertida, igual tamaño

Imagen real, invertida, mayor tamaño

Imágen virtual derecha, mayor tamaño

Las lentes convergentes se utilizan en muchos instrumentos ópticos y también para la corrección de la hipermetropía. Las personas hipermétropes no ven bien de cerca y tienen que alejarse de los objetos.

Reflectores Solares: Los espejos planos y curvos se utilizan para concentrar los rayos en un punto y así utilizar la energía del Sol de manera más eficaz, es así como existen, por ejemplos, los hornos o cocinas solares.

Telescopios de Reflexión: Estos telescopios concentran gran cantidad de luz gracias a la utilización de espejos (cóncavos y planos, en el caso del telescopio newtoniano).

a.- LENTES CONVERGENTES DELGADAS Se caracterizan por tener su centro más grueso y sus bordes más estrechos. Tipos de lentes convergentes:

LENTES DIVERGENTES DELGADAS Estas lentes se caracterizan por tener su centro más angosto y sus extremos más gruesos. Si las lentes son más gruesas por los bordes que por el centro, los rayos de luz que pasan por ellas divergen (se separan). Tipos de lentes divergentes:

RAYOS NOTABLES EN UNA LENTE DIVERGENTE

Todo rayo que incide paralelo al eje principal se refracta en una dirección tal que su prolongación pasa por el foco.

Todo rayo que incide en la dirección del foco se refracta paralelo al eje principal.

Todo rayo que pasa por el centro óptico se refracta sin sufrir desviación.

Las imágenes producidas por las lentes divergentes son siempre virtuales, derechas y más pequeñas que el objeto, independiente de la ubicación del objeto frente a la lente, y se forman del mismo lado que el objeto respecto a la lente

IMAGEN QUE SE FORMA EN UNA LENTE DIVERGENTE

La miopía puede deberse a una deformación del ojo (alargamiento del globo ocular), que hace que las imágenes se formen antes de alcanzar la retina. Los miopes no ven bien de lejos y tienden a acercarse demasiado a los objetos. Las lentes divergentes sirven para corregir este defecto.

El ojo humano es un sistema óptico formado por lentes convergentes como la córnea y el cristalino que proyectan una imagen invertida sobre la retina. En la retina hay células sensibles a la luz (conos y bastones) que envían información nerviosa al cerebro, donde se elabora la imagen de lo que vemos.

OJO HUMANO

UTILIZACIÓN DE LAS LENTES Telescopio de refracción: Estos telescopios funcionan con dos lentes, la primera denominada lente objetivo que se encarga de captar la mayor cantidad de luz en un punto (focal), y la segunda denominada ocular, que se utiliza para magnificar la imagen.

Microscopio: Es un instrumento utilizado para poder observar con mayor detalle objetos que a simple vista se ven pequeños. Para eso utiliza, al igual que el telescopio refractor, dos lentes también llamadas objetivo y ocular.

Lupa: Corresponde a una lente convergente que se utiliza para aumentar la imagen de los objetos. La imagen que forma el objeto son virtuales, derechas y más grandes.

PREGUNTAS P.S.U. - ONDAS “LA LUZ” – ESPEJOS – LENTES

N° 1: Al comparar el sonido con la luz, se hacen las siguientes afirmaciones: I) El sonido es una onda de presión y la luz es una onda electromagnética. II) La luz se puede propagar en el vacío y el sonido no. III) El sonido es una onda transversal y la luz una onda longitudinal.

Es (son) correcta(s) A) solo I. B) solo II. C) solo III. D) solo I y II. E) I, II y III.

N° 2: Una onda sonora y una luminosa viajan por el agua y se refractan al pasar al aire. Al comparar sus propiedades antes y después de la refracción, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es correcta? A) Solo la onda luminosa mantiene su frecuencia. B) La onda sonora aumenta su rapidez. C) La onda luminosa aumenta su rapidez. D) La onda sonora aumenta su longitud de onda. E) Solo la onda luminosa disminuye su longitud de onda.

N° 3.- Algunas aves tienen la capacidad de ver en la región ultravioleta del espectro electromagnético. Solo con esta información, se puede afirmar correctamente que: A) dichas aves pueden ver en un intervalo de longitudes de onda más amplio que los

humanos. B) los humanos pueden ver en un intervalo de frecuencias más restringido que dichas aves. C) dichas aves pueden ver luz con frecuencias más altas que los humanos. D) dichas aves pueden ver luz de longitudes de onda mayores que los humanos. E) la máxima frecuencia que pueden ver los humanos es más alta que la máxima frecuencia

que pueden ver dichas aves.

N° 4: En la figura se representa un objeto O ubicado frente a un espejo cóncavo, donde F indica la ubicación del foco F del espejo, y la línea horizontal su eje óptico.

Al respecto, se afirma correctamente que la imagen del objeto O que forma el espejo es

A) derecha respecto al objeto, real y de igual tamaño que el objeto. B) invertida respecto al objeto, real y de mayor tamaño que el objeto. C) derecha respecto al objeto, virtual y de igual tamaño que el objeto. D) derecha respecto al objeto, virtual y de mayor tamaño que el objeto. E) invertida respecto al objeto, virtual y de menor tamaño que el objeto.

N°5: La figura representa la posición de una lente con sus focos, f, y un objeto.

Al respecto, el observador verá una imagen

A) virtual y de mayor tamaño que el objeto. B) virtual e invertida en relación al objeto. C) formada en el foco del lado del observador. D) real y del mismo tamaño que el objeto. E) real y de mayor tamaño que el objeto.

N° 6: Según el esquema, un rayo de luz que se propaga por un medio 1 pasa a un medio 2 y

finalmente a un medio 3, cumpliéndose que , y .

Respecto de los índices de refracción de estos medios, se afirma que: I) el del medio 1 es mayor que el del medio 2. II) el del medio 2 es menor que el del medio 3. III) el del medio 1 es menor que el del medio 3.

Es (son) correcta(s) A) solo I. B) solo II. C) solo I y II. D) solo II y III. E) I, II y III.

N°7: Las figuras representan objetos y sus respectivas imágenes reflejadas en un espejo plano.

¿Cuál(es) de las figuras muestra(n) correctamente la imagen obtenida por reflexión?

A) Solo III B) Solo I y II C) Solo I y III D) Solo II y III E) I, II y III

N° 8: Si se mira desde el aire hacia el fondo de una piscina llena de agua, esta parece menos profunda de lo que realmente es. ¿Por qué ocurre este fenómeno?:

A) Porque la luz que pasa del agua al aire se refracta en la interfaz de estos medios. B) Porque la luz que pasa del agua al aire se refleja en la interfaz de estos medios. C) Porque la luz que pasa del aire al agua se refleja en la interfaz de estos medios. D) Porque la luz que llega al fondo se refleja completamente en él. E) Porque la luz que llega al fondo se refracta en él.

N° 9: Al colocar un objeto frente a una lente convergente delgada, se obtiene una imagen de igual tamaño, real e invertida respecto al objeto. En la figura, f corresponde a la distancia focal.

¿A qué distancia de la lente se encuentra el objeto que forma dicha imagen? A) A una distancia f B) A una distancia 2f C) A una distancia menor que f D) A una distancia mayor que 2f E) A una distancia mayor que f y menor que 2f N° 10: ¿Cuál de las siguientes clases de ondas corresponde a ondas de frecuencias superiores a las del espectro visible? A) Rayos X B) Infrarroja C) Infrasonido D) Microondas E) Ondas de radio

Link de la asignatura de Física 4° Medio: Carpeta Unidad I - P.S.U-Archivo N°7 https://drive.google.com/drive/folders/1DcYWJZHDZahymKielgIiI8NC06ytw07Z?usp=sharing

Obs.- Todas las guías de la asignatura, deben estar en el cuaderno, tanto las de materia como las guías de ejercicio resueltas.