Física - 2º BachilleratoFísica - 2º Bachillerato

Tema 4: Óptica

Óptica: rama de la física que Óptica: rama de la física que se ocupa de la propagación y se ocupa de la propagación y el comportamiento de la luzel comportamiento de la luz

En un sentido amplio, la luz es la zona del espectro de radiación electromagnética que se extiende desde los rayos X hasta las microondas, e incluye la energía radiante que produce la sensación de visión. El estudio de la óptica se divide en dos ramas, la óptica geométrica y la óptica física.

Teorías de la Naturaleza de la LuzTeorías de la Naturaleza de la Luz

Teoría ondulatoria

El astrónomo, matemático y físico holandés Christiaan Huygens desarrolló la teoría de que la luz se desplaza con un movimiento ondulatorio

Teoría corpuscular

El matemático y físico británico Isaac Newton describió la luz como una emisión de partículas.

Christiaan HuygensChristiaan Huygens (1629-1695), astrónomo, matemático y (1629-1695), astrónomo, matemático y físico holandés nacido en La Haya. Sus numerosos y originales descubrimientos físico holandés nacido en La Haya. Sus numerosos y originales descubrimientos científicos le valieron un amplio reconocimiento entre los científicos del siglo XVII. científicos le valieron un amplio reconocimiento entre los científicos del siglo XVII. Entre sus descubrimientos destaca el principio (posteriormente llamado principio de Entre sus descubrimientos destaca el principio (posteriormente llamado principio de Huygens) que establece que todo punto de un frente de ondas que avanza, actúa Huygens) que establece que todo punto de un frente de ondas que avanza, actúa como una fuente de nuevas ondas. A partir de este principio, Huygens desarrolló la como una fuente de nuevas ondas. A partir de este principio, Huygens desarrolló la teoría ondulatoria de la luz. En 1655 encontró un nuevo método para pulir las teoría ondulatoria de la luz. En 1655 encontró un nuevo método para pulir las lentes, con lo que obtuvo una imagen más nítida que le permitió descubrir un lentes, con lo que obtuvo una imagen más nítida que le permitió descubrir un satélite de Saturno y dar la primera descripción precisa de los anillos de este satélite de Saturno y dar la primera descripción precisa de los anillos de este planeta. La necesidad de una medida exacta del tiempo en la observación del cielo planeta. La necesidad de una medida exacta del tiempo en la observación del cielo le llevó a utilizar el péndulo para regular el movimiento de los relojes. En 1656 le llevó a utilizar el péndulo para regular el movimiento de los relojes. En 1656 inventó un ocular de telescopio que lleva su nombre. En su obra Horologium inventó un ocular de telescopio que lleva su nombre. En su obra Horologium oscillatorium (1673) determinó que realmente existe una relación entre la longitud oscillatorium (1673) determinó que realmente existe una relación entre la longitud de un péndulo y el periodo de oscilación, y desarrolló varias teorías sobre la fuerza de un péndulo y el periodo de oscilación, y desarrolló varias teorías sobre la fuerza centrífuga en los movimientos circulares que ayudaron al físico inglés Isaac Newton centrífuga en los movimientos circulares que ayudaron al físico inglés Isaac Newton a formular las leyes de la gravedad. En 1678 descubrió la polarización de la luz a formular las leyes de la gravedad. En 1678 descubrió la polarización de la luz mediante la doble refracción en la calcita.mediante la doble refracción en la calcita.

La luz es una onda transversalLa luz es una onda transversal Los campos eléctrico y magnético son perpendiculares

entre sí y también perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.

Espectro ElectromagnéticoEspectro ElectromagnéticoLa luz visible es el tramo de frecuencias del espectro electromagnético que nuestros ojos son capaces de detectar

Reflexión y RefracciónReflexión y Refracción La reflexión es la propiedad del movimiento

ondulatorio por la que una onda retorna al propio medio de propagación tras incidir sobre una superficie. Cuando una onda —como la luz o el sonido— se transmite por un medio y llega a un medio diferente, lo normal es que parte de la onda se refracte y penetre en el segundo medio y parte sea reflejada.

Índice de refracciónÍndice de refracción

Es el cociente entre la velocidad de propagación de las ondas luminosas en el vacío y la velocidad de propagación en ese medio.

n = c / v

c = velocidad de la luz en el vacío = 300.000 km/s

Índice de refracción relativoÍndice de refracción relativo

Entre el medio 1 y el medio 2:

n 2,1 = n2 / n1

Ley de Snell de la refracción:

ni · sen αi = nj · sen αj

En general, el índice de refracción de una sustancia transparente más densa es mayor que el de un material menos denso, es decir, la velocidad de la luz es menor en la sustancia de mayor densidad. Por tanto, si un rayo incide de forma oblicua sobre un medio con un índice de refracción mayor, se desviará hacia la normal, mientras que si incide sobre un medio con un índice de refracción menor, se desviará alejándose de ella.

Ejercicio Nº 1Ejercicio Nº 1

Un rayo incidente forma con la normal un ángulo de 30º. El rayo refractado forma un ángulo de 24º. ¿Por cuál de los dos medios se propaga más rápidamente?

Ejercicio Nº 2Ejercicio Nº 2

Si el índice de refracción del medio material A es más grande que el índice de refracción del medio material B, ¿en cuál de los dos medios se propaga más rápidamente la luz?

Reflexión totalReflexión total

Se produce cuando la luz pasa de un medio a otro de menor densidad (por ejemplo, del agua al aire).

Ángulo límite es aquel ángulo de incidencia para el que el ángulo refractado es de 90º

Si el ángulo de incidencia es mayor que el límite, el rayo de luz se refleja.

Ejercicio Nº 2Ejercicio Nº 2

Explica qué es el ángulo límite de la reflexión total y calcúlalo para el paso de la luz del vidrio al aire, si el índice de refracción del vidrio es de 1,5.

Ejercicio Nº 3Ejercicio Nº 3

¿En qué fenómenos físicos se basa el funcionamiento de la fibra óptica?

La fibra ópticaLa fibra óptica El principio en que se basa la transmisión de luz por la fibra es la reflexión interna total; la luz que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide sobre la superficie externa con un ángulo mayor que el ángulo crítico, de forma que toda la luz se refleja sin pérdidas hacia el interior de la fibra. Así, la luz puede transmitirse a larga distancia reflejándose miles de veces. Para evitar pérdidas por dispersión de luz debida a impurezas de la superficie de la fibra, el núcleo de la fibra óptica está recubierto por una capa de vidrio con un índice de refracción mucho menor; las reflexiones se producen en la superficie que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento.

Dispersión de la luzDispersión de la luz

Muchas fuentes de luz, como el Sol, emiten luz blanca. Esta luz es una mezcla de varios colores: cuando pasa por un prisma, se divide formando un espectro. El prisma desvía (refracta) más o menos la luz de diferentes colores. La luz roja es la menos refractada, y la violeta la más refractada.

Difracción e interferencia de la luzDifracción e interferencia de la luz Cuando la luz pasa a través de una rendija

cuyo tamaño es próximo a la longitud de onda de la luz, ésta se difracta, se produce un cambio en la forma de la onda. Cuando la luz pasa a través de dos rendijas, las ondas procedentes de una rendija interfieren con las ondas que vienen de la otra. La interferencia constructiva tiene lugar cuando las ondas llegan en fase, es decir, cuando las crestas (o los valles) de una onda coinciden con las crestas (o los valles) de la otra onda, formando una onda con una cresta (o un valle) mayor. La interferencia destructiva se produce cuando las ondas llegan en oposición de fase, es decir, cuando la cresta de una onda coincide con el valle de la otra onda, cancelándose mutuamente para producir una onda más pequeña o no producir onda alguna.

Efecto fotoeléctricoEfecto fotoeléctrico

En el efecto fotoeléctrico se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie

Efecto fotoeléctricoEfecto fotoeléctrico

Una serie de experimentos iniciados en 1887 demostró que el efecto fotoeléctrico externo tenía determinadas características que no podían explicarse por las teorías de aquella época, que consideraban que la luz y todas las demás clases de radiación electromagnética se comportaban como ondas. Por ejemplo, a medida que la luz que incide sobre un metal se hace más intensa, la teoría ondulatoria de la luz sugiere que en el metal se liberarán electrones con una energía cada vez mayor. Sin embargo, los experimentos mostraron que la máxima energía posible de los electrones emitidos sólo depende de la frecuencia de la luz incidente, y no de su intensidad.

En 1905, para tratar de explicar el mecanismo del efecto fotoeléctrico externo, Albert Einstein sugirió que podría considerarse que la luz se comporta en determinados casos como una partícula, y que la energía de cada partícula luminosa, o fotón, sólo depende de la frecuencia de la luz. Para explicar el efecto fotoeléctrico externo, Einstein consideró la luz como un conjunto de "proyectiles" que chocan contra el metal. Cuando un electrón libre del metal es golpeado por un fotón, absorbe la energía del mismo. Si el fotón tiene la suficiente energía, el electrón es expulsado del metal. La teoría de Einstein explicaba muchas características del efecto fotoeléctrico externo, como por ejemplo el hecho de que la energía máxima de los electrones expulsados sea independiente de la intensidad de la luz. Según la teoría de Einstein, esta energía máxima sólo depende de la energía del fotón que lo expulsa, que a su vez sólo depende de la frecuencia de la luz. La teoría de Einstein se verificó por experimentos posteriores

Óptica GeométricaÓptica Geométrica

Espejo planoEspejo plano

La imagen formada por un espejo plano es virtual, derecha y

simétrica respecto al plano del espejo

Espejos EsféricosEspejos EsféricosLos espejos esféricos son aquellos cuya superficie está constituída por un casquete

esférico

Centro de Curvatura = C (Centro de la superficie del espejo)

Radio de Curvatura = R (Distancia de C al espejo)

Centro del espejo = O (Origen del sistema de coordenadas)Eje principal o eje óptico = Recta que pasa por O y C

Foco = F (Punto del eje por el que pasan los rayos paraxiales o sus prolongaciones)

Distancia focal = f (Distancia entre O y F)

Elementos de un espejo esférico

Convenio de signos:Convenio de signos: Las magnitudes referidas a la imagen son

las mismas que las referidas al objeto pero con el signo prima.

La luz va siempre de izquierda a derecha. Las distancias son (+) si se miden hacia la

derecha y (-) hacia la izquierda. Las distancias son (+) si se miden hacia la

arriba y (-) hacia la abajo.

Las imágenes formadas pueden ser:Las imágenes formadas pueden ser:

Reales: cuando los rayos procedentes de un objeto se juntan en un punto o

Virtuales: Cuando se juntan las prolongaciones de los rayos.

Derechas: en la misma posición del objeto o Invertidas. Mayores que el objeto o Menores.

Cálculo de la distancia focalCálculo de la distancia focal

f = R / 2La distancia focal ( f ) de un espejo

esférico es la mitad del radio de curvatura (R)

Formación de imágenes en Formación de imágenes en espejos esféricosespejos esféricos

Trazar un rayo paraxial que pasa por el Foco (o bien su prolongación)

Trazar un rayo que pase por C y se refleje en la misma dirección (normal al espejo)

Trazar un rayo que sea paralelo al eje y pase por F.

Formación de imágenes en espejos convexosFormación de imágenes en espejos convexos

La imagen será:

Menor Derecha Virtual

Formación de imágenes en espejos cóncavosFormación de imágenes en espejos cóncavos(En el caso en que el objeto es lejano)(En el caso en que el objeto es lejano)

La imagen será:

Menor Invertida Real

Ecuación de los espejosEcuación de los espejos

Aumento lateral ( A ): es la relación entre el tamaño de la imagen y el objeto.

A = y’/y = -s’/s Ecuación de los espejos: 1/s’ + 1/s = 1/ f

Donde s=distancia del objeto a O; s’ = distancia de la imagen a O; y = tamaño del objeto; y’=tamaño de la imagen

Ejercicio ResueltoEjercicio Resuelto

Ejercicio Nº 5Ejercicio Nº 5

¿Dónde se forma la imagen?¿Cuál es su tamaño?

Ejercicio Nº 6Ejercicio Nº 6 Delante de un espejo cóncavo de

radio 50 cm. se sitúa, en el aire, un objeto de 8 cm. de altura a una distancia de 30 cm.

A) ¿A qué distancia se forma la imagen?. B) ¿Cuál es el tamaño de la misma?. C) ¿Qué tipo de imagen es? D) Dibuja el diagrama objeto, espejo,

imagen.

Ejercicio Nº 7Ejercicio Nº 7

Se tiene un espejo cóncavo de 1,2 m de radio. Hallar:

a) Distancia a la que hay que colocar el objeto en el eje para tener una imagen cuatro veces mayor que el objeto pero invertida.

b) En el caso de que sea un espejo convexo, determina la distancia a la que hay que colocar el objeto para que su imagen tenga la mitad de tamaño.

Lentes delgadasLentes delgadas Una lente es un material transparente limitado por dos

superficies esféricas, o por una esférica y una plana.

Formación de imágenes en lentesFormación de imágenes en lentes

El rayo que incide paralelo al eje se desvía y pasa por el foco imagen F’. Si la lente es divergente, por F’ pasa la prolongación

El rayo que pasa por el foco objeto F sale paralelo al eje.

El rayo que pasa por el centro de la lente no sufre desviación

Ecuación de las lentes delgadasEcuación de las lentes delgadas

Aumento de la lente A = y’/y = s’/s

Potencia de una lente: P = 1/f’ unidades S.I.: 1/m o Dioptría (D)

Ecuación de las lentes: 1/s’ – 1/s = 1/ f’

Formación de imágenes en lentes convergentesFormación de imágenes en lentes convergentes

Imagen en el caso de objeto lejano:

Real e invertida. El tamaño depende...

Formación de imágenes en lentes convergentesFormación de imágenes en lentes convergentes

Imagen en el caso de objeto cercano:

Virtual, derecha y mayor

Formación de imágenes en lentes divergentesFormación de imágenes en lentes divergentes

En el caso de un objeto entre el foco y la lente, la imagen es:

Virtual, derecha y menor

Formación de imágenes en lentes divergentesFormación de imágenes en lentes divergentes

En el caso de un objeto lejano, la imagen es: Virtual, derecha y menor

Ejercicio ResueltoEjercicio Resuelto

Ejercicio Nº 8Ejercicio Nº 8

Ejercicio Nº 9Ejercicio Nº 9

Ejercicio Nº 10Ejercicio Nº 10

Una lente delgada convergente tiene una distancia focal de 50 cm. Proyecta, sobre una pantalla, la imagen de un objeto de 5 cm de longitud. Calcula:

a) La distancia de la pantalla a la lente para que la imagen tenga una longitud de 0,4 m.

b) Potencia de la lente. c) Aumento de la lente.

Ejercicio Nº 11Ejercicio Nº 11

Una lente divergente tiene una distancia focal de 50 cm. Proyecta, sobre una pantalla, la imagen de un objeto de 25 cm de longitud. Calcula:

a) La distancia de la pantalla a la lente para que la imagen tenga una longitud de 0,5 m.

b) Potencia de la lente. c) Aumento de la lente.

Combinación de lentesCombinación de lentes

La primera lente forma una imagen que es el “objeto” de la segunda lente que formará la imagen definitiva.

Ejercicio Nº 12Ejercicio Nº 12

Colocamos dos lentes convergentes de potencia 5 D y 10 D separadas 20 cm. Si colocamos un objeto de 10 cm delante de la primera.

¿Dónde debemos colocar la pantalla y cómo será la imagen que veremos?

El microscopioEl microscopio

El Ojo HumanoEl Ojo Humano

Acomodación del ojoAcomodación del ojo

Visión normal.

La imagen se forma en la retina

El cristalino modifica su curvatura gracias a la presión que ejercen los músculos ciliares. Si una cámara enfoca variando la distancia del lente objetivo a la película, el ojo enfoca variando la potencia de la lente

Defectos de la visiónDefectos de la visión

Hipermetropía.

La imagen se forma detrás de la retina

Miopía.

La imagen se forma delante de la retina

DaltonismoDaltonismoPrueba del daltonismo

Esta imagen forma parte de la prueba estandarizada para el daltonismo. Los individuos con una visión normal del color ven el número 57, mientras que aquellos con deficiencias para el rojo y el verde ven el número 35. El daltonismo, una incapacidad para distinguir entre el verde y el rojo y, algunas veces, entre el azul y el amarillo, está causado por un defecto en uno de los tres tipos de células sensibles al color de la retina. El daltonismo afecta aproximadamente a una de cada treinta personas.

CRITERIOS DE EVALUACIÓNCRITERIOS DE EVALUACIÓN

- Conocer que la luz se propaga en línea recta y a velocidad finita y realizar cálculos de distancias astronómicas utilizando como unidad el año luz.

- Relacionar la formación de sombras y penumbras con la propagación rectilínea de la luz y explicar los eclipses totales y parciales de Sol y de Luna.

- Relacionar cualitativa y cuantitativamente el índice de refracción con la velocidad de la luz en diferentes medios.

- Describir las leyes de la reflexión y de la refracción de la luz y aplicarlas al cálculo del ángulo límite y de la reflexión total.

- Explicar cualitativamente la dispersión de un haz de luz blanca en un prisma óptico.- Conocer el procedimiento de obtención de espectros y algunas aplicaciones de la espectroscopía.- Describir aquellos procedimientos e instrumentos básicos utilizados en la realización en el laboratorio de

algunos trabajos prácticos relacionados con el presente bloque tales como: las leyes de la reflexión en espejos, el estudio del fenómeno de la refracción y la comprobación de sus leyes, la observación del fenómeno de la reflexión total y el estudio de la marcha de los rayos de luz en las lentes convergentes y divergentes.

- Construir gráficamente diagramas de rayos luminosos que permitan obtener las imágenes formadas en espejos (planos y curvos) y lentes delgadas.

- Interpretar y aplicar la ecuación de las lentes delgadas para realizar cálculos numéricos y determinar la posición y el tamaño de las imágenes formadas

- Comprender el mecanismo de la visión, tanto de imágenes como de colores- Conocer y describir la forma en que las lentes participan en la corrección de los defectos en la visión.- Aplicar los conocimientos sobre reflexión y refracción al estudio de la cámara oscura, el periscopio, la lupa, el

telescopio de Galileo y la fibra óptica.