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Seguramente estás familiarizado con fenómenos como el arcoiris en un día de llu­via, los "espejismos" que aparecen en el pavimento en época de mucho calor.

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Presentación del tema: "Seguramente estás familiarizado con fenómenos como el arcoiris en un día de llu­via, los "espejismos" que aparecen en el pavimento en época de mucho calor."— Transcripción de la presentación:

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2 Seguramente estás familiarizado con fenómenos como el arcoiris en un día de llu­via, los "espejismos" que aparecen en el pavimento en época de mucho calor o bien con la formación de imágenes en los espejos planos y, desde luego, conoces perso­nas que necesitan anteojos para corregir su visión. Quizá has escuchado que los astrónomos usan telescopios para observar el Universo. En tu experiencia escolar habrás usado algún microscopio en el laboratorio de biología. ¿Te has preguntado cuáles son los principios físicos en que se basa la construcción de estos instrumen­tos ópticos? ¿Por qué las imágenes que se forman en los espejos esféricos son de diferente tamaño que el objeto? O simplemente, ¿por qué las personas que usan anteojos ven mejor? Nuestros ojos requieren de la luz para poder ver. Los fenóme­nos relacionados con la luz han desempeñado un papel importante en la evolución de la humanidad. INSTRUMENTOS OPTICOS

3 La luz proporciona información a las diferentes especies anima­les acerca de su medio ambiente. ¿Las diferentes especies animales ven las cosas que les rodean de la misma forma? Estarás de acuerdo en que lo que ve un animal depende de las propiedades físicas de la luz a la que es sensible su ojo y de la for­ma del ojo mismo. En fin, la luz está presente y es muy importante en nuestra vida pero, ¿qué es la luz? Esta pregunta es una constante en el desarrollo de la Física t y permitió que la óptica se desarrollara desde épocas remotas. Las propiedades ticas de los espejos y las lentes se basan en los principios de reflexión y refrac->n de la luz. En esta unidad tendrás la oportunidad de estudiar la formación de ágenes y sus características mediante la aplicación de un método geométrico, el I considera que la luz está formada por rayos que se propagan en línea recta.

4 ; es la luz? Coincidirás conmigo en que la luz juega un papel muy importante i tu vida. ¿Te has preguntado cómo sería nuestra vida sin la luz? A través de los, la luz no sólo nos permite conocer el mundo que nos rodea sino que podemos su belleza. El fenómeno de la visión sólo es posible si se conjugan dos ele-El primero es la luz, que existe independientemente de que la veamos o. El segundo es el ojo, que es sensible a la luz y permite la formación de imáge-. La luz es un fenómeno natural que ha llamado la atención de los científicos de los tiempos. Los filósofos de la antigua Grecia propusieron algunas teorías ¡ en las que no había diferencia entre la luz y la visión. Según la escuela pitagó-, la visión es causada por la proyección de imágenes lanzadas desde los objetos id ojo. Esta afirmación fracasó porque no tuvo sustento lógico ni experimental. NATURALEZA DE LA LUZ

5 Aristóteles, por su parte, afirmó que el medio que se encuentra entre el objeto y el ojo desempeña un papel fundamental en la formación de imágenes. Herón estudió las imágenes formadas en espejos planos, cóncavos y convexos; en su obra Catóp-trica escribió el siguiente enunciado: "El rayo, sea o no reflejado, siempre sigue el camino más corto entre el objeto y el ojo". En el siglo xvii Fierre de Fermat retomó esta afirmación para formular una ley más general. Durante el Renacimiento, siglos xvi y xvn, la óptica se desarrollo de manera notable en áreas como el arte. Leonardo da Vinci dedicó parte de su obra a la óptica y formuló una teoría de la visión donde compara al ojo con una cámara oscura. Galileo dedicó 30 años de su vida a hacer experimentos de F ísica y logró construir un telescopio mediante un estudio profundo de la ley de la refracción. Isaac Newton consideró que la teoría corpuscular era verdadera y a partir de esta afirmación explicó la propagación rec­tilínea de la luz y fenómenos como la reflexión y la refracción.

6 En 1704 apareció la primera edición de su obra La óptica, tratado de las reflexiones, refracciones, inflexiones y colores de la luz. En este libro describe experimentos que realizó para determinar el distinto grado de refracción que tiene la luz de diferentes colores. Posteriormente describe el famoso experimento que consiste en hacer pasar un haz de luz blanca del Sol a través de un prisma, cuyo resultado lo llevó a la conclu­sión de que la luz blanca está compuesta de rayos de diferentes colores. Es sabido que Newton nunca aceptó que la luz era de naturaleza ondulatoria; la razón funda­mental para esto es que él no veía cómo con la teoría ondulatoria se pudiera expli­car la propagación en línea recta de la luz. Insistió en que la luz debía ser una corriente de partículas que viajaban a gran velocidad a través del espacio.

7 La teoría corpuscular de la luz de Newton fue aceptada por la mayoría de los cien­tíficos de la época. Sin embargo, hacia 1678 un físico holandés, Christian Huygens, demostró que si se consideraba la luz como una onda, también se podían explicar los fenómenos de reflexión y de refracción. Esta teoría no fue aceptada de forma inmediata porque se argumentaba que si la luz era una especie de onda entonces debería rodear obstáculos, como lo hacían, por ejemplo, las ondas en el agua y por tanto seríamos capaces de ver objetos que se encontraran alrededor de las esqui­nas. En la actualidad se sabe que, en efecto, la luz rodea discretamente los bordes, de los objetos. A este fenómeno físico se le llama difracción.

8 Thomas Young ( ) demostró la naturaleza ondulatoria de la luz al - señalar que los rayos luminosos interfieren entre sí, fenómeno que no podía expli- carse con la teoría corpuscular puesto que no hay manera de concebir cómo dos o más partículas puedan juntarse o anularse una a la otra. Durante el siglo xix se estudiaron otros fenómenos como la interferencia que llevaron a aceptar la teoría ondulatoria de la luz. El trabajo más importante fue el de James Clerk Maxwell en 1873, quien afirmó que la luz era una forma de onda electromagnética de alta fre­cuencia. En 1887, Heinrich Hertz confirmó la teoría de Maxwell al producir y detec­tar ondas electromagnéticas. En esta teoría electromagnética se sostenía que un haz más intenso de luz debe agregar mayor energía al electrón que es arrancado de la superficie de un metal cuando la luz incide sobre él (efecto fotoeléctrico). Sin embargo, al experimentar esta situación ocurrió que la energía cinética del elec­trón arrancado es independiente de la intensidad luminosa.

9 Una explicación del efecto fotoeléctrico, basada en el concepto de cuantización de Max Planck des­ arrollado en 1900, la dio Albert Einstein en La luz tiene su origen en el movimiento acelerado de los electrones por lo que es un fenómeno electromagnético, pero no el único. Existe una amplia gama de ondas electromagnéticas a la que se le llama espectro electromagnético. Estas ondas se mueven con la misma rapidez en el vacío, pero son diferentes entre sí porque su frecuencia es distinta; y es debido a esta frecuencia que podemos ver la luz. Nuestros ojos detectan ondas luminosas sólo en un pequeño rango de frecuencias. La luz de frecuencia mínima que podemos ver es la roja y la de mayor frecuencia es la violeta. Sin embargo, existen ondas electromagnéticas que tienen frecuen­cia fuera de ese rango.

10 Ondas de radio y televisión: se producen con las cargas que se aceleran a través de alambres de conducción. Son generadas por dispositivos electró­nicos y se usan en sistemas de comunicación. Su longitud de onda está en el rango de 10 2 metros hasta 0.1 metros. Microondas: también se generan por dispositivos electrónicos y su longitud de onda varía desde los 0.3 metros hasta los 10 ~ 3 metros. Debido a que su longitud de onda es muy corta se usan en los sistemas de radar y en estu­dios de las propiedades atómicas de la materia El horno de microondas, que seguramente usas en la cocina, produce una radiación con longitud de 0.12 metros.

11 Luz infrarroja: es producida por moléculas y objetos a temperatura am­biente y su longitud de onda va desde 10 " 3 metros hasta 10 ~ 7 metros. Esta luz tiene aplicaciones en diversas áreas como terapia física, fotografía infrarroja y espectroscopia. Luz visible: ésta es la onda electromagnética con la que estás más familiari­zado porque es la luz que detecta el ojo humano. Las diversas longitudes de onda que la componen corresponden con los diferentes colores, que vandel rojo con longitud de onda 7 x 10 ~ 7 metros hasta el violeta con longitud de onda 4 x 10 ~ 7 metros.

12 Luz ultravioleta,- la longitud de onda de esta clase de luz va desde 4 x 10 ~ 7 metros hasta 6 x 10~ 10 metros. El Sol es una fuente de luz ultravioleta cau­sante del bronceado de la piel. Sin embargo, se ha asociado el cáncer de piel con exposiciones demasiado largas al Sol; es por eso que se recomien­dan las lociones bloqueadoras, las cuales son transparentes a la luz visible pero absorben la mayor parte de la luz ultravioleta. El factor de protección solar (SPF) del bloqueador indica el nivel de protección contra los rayos ultravioleta.. Rayos X: su longitud de onda comprende aproximadamente 10~ 10 metros a 10~ 12 metros. Seguramente sabes que los rayos X permiten obtener pla­cas fotográficas de la estructura ósea. También se utilizan en el tratamien­to de ciertas formas de cáncer.

13 Rayos gamma: es la radiación electromagnética emitida por núcleos ra­diactivos y durante un proceso de reacción nuclear. Su longitud de onda va de 10~ 12 metros a 10~ 14 metros. Son las ondas electromagnéticas de menor longitud de onda y por consiguiente de mayor penetración porque su fre­ cuencia es muy grande, por lo que producen daños serios cuando son absorbidos por tejidos vivos.

14 La reflexión de la luz es un fenómeno óptico sin el cual no podríamos ver. Los objetos que nos rodean reflejan la luz hacia nuestros ojos produciéndose en ellos las imágenes. Desde un punto de vista molecular, la reflexión implica la absorción y reemisión de la luz mediante vibraciones electrónicas en los átomos del medio reflejante. Mediante los rayos podemos simplificar de forma notable la descripción del fenómeno.

15 Considera un rayo de luz que incide sobre una superficie horizontal con un ángulo de incidencia (9¡) que se mide respecto de la recta normal a la superficie. El rayo reflejado queda entonces descrito mediante un ángulo de reflexión (6 r ) de manera que la relación entre ellos está dada por la ley de la reflexión: el ángulo que forma el rayo incidente con la normal en el espejo es igual al ángulo que forma el rayo reflejado respecto de la normal

16 Imagina cómo sería tu vida si no existieran los espejos. Un mundo sin imágenes ópticas como fotografías, películas y televisión. ¿Qué sabríamos del Universo sin los telescopios? ¿Qué sabríamos de las bacterias y las células sin los microscopios? El estudio sobre la formación de imágenes en espejos y lentes ha permitido la cons­trucción de una gran variedad de instrumentos ópticos. En este subtema haremos un estudio de las características de las imágenes que se forman en espejos planos y esféricos. Las propiedades ópticas de los espejos se basan en los principios de la reflexión que estudiaste anteriormente.

17 Al principio del tema se mencionaron algunos instrumentos ópticos que utilizan una o varias lentes para formar imágenes: una lupa, un telescopio, un microscopio y una cámara fotográfica. ¿Qué debes hacer si quieres obtener una imagen nítida con cualquiera de los instrumentos ópticos anteriores? Al igual que una cámara fotográfica, tu ojo enfoca la luz para producir una imagen nítida. Sin embargo, el mecanismo de ajuste de tu ojo es mucho más complejo que en una cámara; tus ojos son una maravilla de la naturaleza. En la figura 96 se ilustran las partes esen­ciales de un ojo y a continuación describimos sus características.

18 La luz entra al ojo a través de la córnea, que es una membrana transparente. Detrás de la córnea hay un líquido claro llamado humor acuoso. Después está la pupila, que es una abertura variable ubicada en el iris, y el lente cristalino. Debes saber que la mayor parte de la refracción de la luz ocurre en la superficie exterior del ojo, o sea, en la córnea. El iris, el cual identificas como la parte de color de tu ojo, es un diafragma muscular que controla el tamaño de la pupila. ¿Te has dado cuenta qué sucede cuando pasas de un lugar muy oscuro a otro con mucha luz, por ejemplo, cuando sales del cine? Al salir de un lugar muy oscuro la luz exterior lasti­ma tus ojos.

19 Esto se debe a que, en la oscuridad, tu pupila está muy abierta para permitir el paso de la mayor cantidad de luz posible y al salir la pupila tarda una fracción de tiempo en contraerse, en esa fracción de tiempo entra demasiada luz en el ojo provocando cierto dolor. El iris regula la cantidad de luz que entra al ojo dilatando la pupila en condiciones de poca luz y la contrae en la situación inversa. El sistema córnea- lente cristalino enfoca la luz hacia la parte posterior del ojo lla­mada retina, la cual se compone por millones de receptores muy sensibles que al ser estimulados por la luz envían impulsos al cerebro a través del nervio óptico, donde se percibe una imagen. Mediante este proceso se observa una imagen clara cuando la imagen llega a la retina.

20 El ojo enfoca objetos cercanos y lejanos, pero cuando el objeto está muy cerca del ojo produce imágenes borrosas. El punto cercano es la distancia más corta a la cual el ojo puede enfocar luz sobre la retina. Esta distancia varía con la edad. Determina tu punto cercano acercando un texto hacia tus ojos hasta que las letras se vean borrosas. La distancia de la hoja a los ojos es tu punto cercano. El punto alejado del ojo es la distancia más grande en la cual el ojo puede enfocar luz sobre la retina. Una persona con visión normal enfoca objetos muy distantes y decimos que tiene un punto lejano cercano al infinito.

21 Cuando un ojo sufre un defecto en el enfoque del sistema córnea-lente cristali­no, hace que los rayos de luz lleguen a la retina antes de que converjan para formar la imagen del objeto (figura ). A esta condición del ojo se le llama hipermetro­pía. Una persona que tiene hipermetropía regularmente ve con claridad objetos lejanos pero no enfoca objetos cercanos. El punto cercano de un ojo normal es de aproximadamente 25 cm, aunque ya se dijo que varía con la edad, pero el punto cercano de una persona con hipermetropía es mucho más lejano que este valor. La hipermetropía se corrige colocando un lente convergente frente al ojo, como se muestra en la figura 97¿. El lente refracta los rayos permitiendo que converjan sobre la retina.

22 Otro defecto del sistema córnea-lente cristalino sucede cuando los rayos de luz convergen antes de llegar a la retina ocasionando una visión borrosa. A este defec­to se le llama miopía. Una persona con miopía enfoca objetos cercanos pero no ve claramente objetos que se encuentren más allá de su punto lejano, el cual ya no se encuentra en el infinito sino mucho más cerca, a veces del orden de uno o dos metros (figura 98a). La miopía se corrige colocando una lente divergente frente al ojo, lo que permite que los rayos refractados converjan en la retina (figura 98b). El uso de distintos tipos de lentes corrige la visión. Los optometristas prescriben lentes de acuerdo con el tipo de defecto que tengan los ojos. La potencia de una lente se define como el inverso de la distancia focal y se mide en dioptrías. P =í /f, por ejemplo, una lente convergente que tenga una distancia focal de 30 cm tiene una potencia

23 Para que tengas una idea muy general de cómo se forman las imágenes en ins­ trumentos ópticos como la cámara fotográfica, el telescopio y el microscopio, hacemos una breve descripción de su funcionamiento. La cámara fotográfica es un instrumento óptico con características muy senci­llas. Está compuesto por una caja cerrada a la luz y una lente convergente que pro­duce una imagen real sobre una película que se encuentra detrás de la lente. En la figura 99 se muestran los componentes de una cámara fotográfica.

24 Cuando tomas una fotografía y deseas que quede nítida debes enfocar el objeto para que a su vez la imagen no esté "borrosa". En realidad lo que haces es ajustar la distancia entre la lente y la película. Para el enfoque adecuado, la distancia de la lente a la película dependerá de la distancia al objeto así como de la distancia focal de la lente. Una vez enfocado el objeto, al presionar el botón de disparo estás acti­vando un dispositivo mecánico llamado obturador, el cual se abre a intervalos establecidos llamados tiempos de exposición, los más comunes son: Vso, VóO, Vl25 y l /250 segundos. Con tiempos de exposición grandes (Veo) se logran imágenes níti­das de objetos estáticos y con tiempos de exposición pequeños 0/250) se consiguen imágenes nítidas de objetos en movimiento. Las cámaras costosas tienen obtura­dor de diámetro ajustable para controlar la intensidad de la luz que llega a la pelí­cula y reducir de esta manera la aberración esférica, la cual da como resultado imágenes borrosas.

25 Para observar objetos distantes como los planetas y las estrellas existen dos tipos de telescopios: el refractor (o de referacción) y el reflector (o de reflexión). El primero se compone de una combinación de lentes que producen una imagen y el segundo por un espejo curvo de gran tamaño y una lente ocular. La figura 100 muestra la combinación de lentes usada en un telescopio refractor.

26 Las lentes se disponen de manera que la lente objetivo forme una imagen real invertida del objeto que esté cerca del foco de la lente ocular. Como el objeto está muy distante, podemos decir que en el infinito, entonces los rayos de luz que llegan de él son paralelos y en el lugar donde se forma la primera imagen es el foco de la lente objetivo. La lente ocular forma una segunda imagen invertida y más grande que la primera. Cuando observas a través de un telescopio objetos que están relati­vamente cercanos a la Tierra, como la Luna o algunos planetas, el aumento es im­ portante. Sin embargo, como las estrellas están mucho más lejos que cualquier otro objeto celeste, siempre se verán como pequeños puntos de luz.

27 Los grandes telescopios que utilizan los astrónomos tienen un gran diámetro que les permite captar la mayor cantidad de luz. Ninguna lente produce imágenes perfectas. A las distorsiones de la imagen se les llama aberraciones. La aberración cromática se debe a que la luz de diversos colores que pasa por la lente, al tener diferente longi­tud de onda, se refracta de manera distinta y como consecuencia los colores refrac­tados no quedan enfocados en el mismo lugar. El microscopio compuesto está formado por una lente objetivo cuya distancia focal es muy pequeña, menor de 1 cm, y otra lente, el ocular, que tiene una distan­cia focal de unos centímetros. El objeto que se coloca en un extremo del objetivo forma una imagen real invertida localizada cerca del foco del ocular.

28 En este tema tuviste la oportunidad de hacer una descripción geométrica de los fenómenos de reflexión y refracción de la luz. La reflexión de la luz ocurre cuando un rayo incide sobre una superficie. En este caso se cumple que el ángulo que forma el rayo incidente con la normal es igual al ángulo que forma el rayo reflejado con la normal, d í - 6 T. Por otro lado, la refracción de la luz ocurre cuando un rayo pasa de un medio de propagación a otro. En la refrac­ción, la luz se mueve con diferente rapidez en medios distintos, de aquí que se cumple la relación: sen0 sen0,

29 en donde: d l y 6 2 son los ángulos respectivos que el rayo incidente y el rayo refractado forman con la normal, v l y v 2 representan la rapidez del rayo inci­dente y del rayo refractado, respectivamente. Los diferentes materiales tienen también un índice de refracción que no es otra cosa que el cociente de la rapi­dez de la luz en el vacío y la respectiva rapidez de la luz en ese material: c n= V =« 2 sen0 2 De aquí que se puede expresar la ecuación de la refracción en términos de los índices de refracción de los medios de propagación de la luz mediante la ley de Snell:

30 Otro fenómeno producido por la refracción de la luz es la reflexión interna total. Ésta se produce cuando el ángulo de incidencia dé la luz en un medio de propagación es mayor que un cierto ángulo crítico, el cual depende de las características del medio de propagación, y el rayo se refleja totalmente en el mismo medio; este fenómeno es la base del funcionamiento de la fibra óptica. Otro fenómeno producto de la refracción es la dispersión. Como el índice de refracción varía con la longitud de onda de la luz, cuando la luz blanca pasa a través de un prisma los colores que la componen se refractan con diferente ángulo y se produce el espectro visible de luz. Finalmente se estudiaron las imágenes formadas por espejos planos y esfé­ricos. Los espejos esféricos son cóncavos o convexos; las lentes son conver­gentes y divergentes. Decimos que una imagen es virtual si aparece "dentro" del espejo; es real si está fuera del espejo y se puede localizar en una pantalla. Para los espejos esféricos y las lentes la relación entre la distancia del objeto al espejo, la distancia a la imagen y la distancia focal está dada por la siguien­te ecuación:

31 GRACIAS POR SU ATENCION PRESTADA


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