Luz y óptica Montoya.-

Historia de la luz Herón de Alejandría(70 d.C) plantea que la rapidez de la luz es infinita, ya que cuando abrimos los ojos vemos las estrellas de inmediato. Ptolomeo(170 d.C) mide el ángulo de refracción pero no descubre la ley de Snell. Euclides(300 d.C) afirma que la luz viaja en línea recta y lo prueba.

Qué es y como se comporta la luz y sus características ondulatorias Las aplicaciones de la luz Procesar datos y formular explicaciones. Estudiar los fenómenos naturales.

El concepto de la luz a lo largo de la historia. En la Grecia clásica se teorizaba acerca de la naturaleza de la luz ( Escuela atomista) Proponía que los objetos emitían imágenes que llegaban hasta el alma de las personas a través de los ojos. Alrededor del 1600 aparecen los primeros modelos formales , matemáticos , científico , racionales para explicar el fenómeno luminoso.

¿Qué es la luz? La luz es una radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano, la luz esta formada por pequeñas partículas elementales que no poseen masas, estas son llamadas fotones. Para explicar el comportamiento físico de luz se asume que esta posee una dualidad onda-corpúsculo

Contaminación lumínica en chile Corresponde al resplandor o brillo producido por la difusión de la luz artificial , la que disminuye la oscuridad de la noche , haciendo que se reduzca progresivamente la luz de las a estrellas. No permite observar los astros por la noche Dificulta el trabajo de los observatorios. Chile cuenta con una norma de emisión para la regulación de la contaminación lumínica (1998)( previene el problema en los cielos de la II , III , IV regiones

Telescopio de espejo liquido en la luna Los telescopios reflectores utilizan un espejo parabólico para captar una gran cantidad de luz y dirigirla a un pequeño punto . Mientras mas grande sea el espejo , mayor es la cantidad de luz que concentra , y , por lo tanto se pueden distinguir mejor los objetos de baja luminosidad

¿Cómo se mueve la luz? La luz puede ser transmitida a través de una fibra óptica (fino cable de vidrio muy flexible ) La luz tiene un comportamiento dual Onda electromagnética Corpúsculos o fotones.

Modelo ondulatorio. A finales del siglo XVII , el físico y matemático Holandés Cristian Huygens (1629-1695)propuso que la luz tenia un comportamiento ondulatorio , ya que la `propagación rectilínea , la reflexión y la refracción eran perfectamente explicables mediante este modelo.

Modelo corpuscular Al mismo tiempo que Huygens defendía su modelo , el físico Ingles Isaac Newton (1643-1727) propuso el modelo corpuscular , donde consideraba que la luz estaba compuesta por diminutas partículas (corpúsculos) emitidas desde una fuente luminosa . Evidencias: La luz se propaga en línea recta La formación de sombras. La reflexión de la luz en los objetos

Lo que no explica el modelo corpuscular: La refracción de la luz La difracción de la luz El fenómeno fotoeléctrico. Por el prestigio que gozaba Newton el modelo fue más aceptado y se impuso por sobre el de Huygens.

Historia de la luz Alhacén(900) afirma que los objetos no tienen luz propia sino que la reflejan, creo el primer prototipo de cámara, denominada la cámara oscura Galileo(1667)construye un experimento y prueba que la luz es infinita Roemer (1675 ) calcula la velocidad de la luz utilizando el periodo del satélite de júpiter (214.000 km/s)

Historia de la luz Pierre de Fermat(1680) afirma que la luz se transporta de un punto a otro en un punto mínimo Huygens (1690) dice que la luz es una onda mecánica y que necesita una sustancia llamada éter para viajar(teoria ondulatoria) Newton(1704 ) asevera que la luz esta formada por corpúsculos, formada por pequeñas partículas con masa y viajan en línea recta(teoria corpuscular)

Historia de la luz James Bradley(1729) intentó medir la distancia de una estrella observando su orientación en 2 momentos del año, con el movimiento de traslación obtuvo una triangulación. Visualizó un problema entre las distancias que explicó con la aberración estelar, tres años más tarde observaba Draco y obtuvo la velocidad de la luz(301.000 km/s Albert Michelson (1880) demostró que los rayos de luz enviados en diferentes direcciones desde la tierra se reflejan a la misma velocidad James Maxwell(1873 ) concluye que la luz es una onda electromagnética que se propaga en el vacío de manera continua

Historia de la luz Max Planck (1918) determina que la luz es una onda electromagnética discontinua y esta compuesta por numerosos paquetes de energía llamados cuantos Louis de Broglie (1925 ) confirma que la luz presenta una dualidad, que en ocasiones se presenta en forma de onda y en otras como partícula Momentum de la partícula

Espectro electromagnético Maxwell concluyo que la luz era una onda electromagnética, dependiendo de la energía de la onda, puede clasificarse según el tipo de radiación

Maxwell A mediados del siglo XIX, el físico ingles James Clerk Maxwell (1831-1879) planteo su teoría electromagnética En ella relaciono fenómenos como la electricidad y el magnetismo con la luz. Maxwell desarrollo un notable desarrollo matemático de su teoría, que resumió en cuatro ecuaciones conocidas como las ecuaciones de Maxwell Uno de los principales aspectos de la teoría de Maxwell era que las ondas electromagnéticas (entre las que se encuentra la luz visible) se producían por cargas eléctricas aceleradas , o fluctuaciones de campos eléctricos y/o magnéticos . A partir de esto se pudo confirmar que las ondas electromagnéticas eran transversales. Tiempo después la teoría de Maxwell fue demostrada por Heinrich Hertz (1857-1894)

Síntesis y reflexión Respecto a los modelos propuestos por Huygens y Newton, responda: ¿Qué planteaban ¿Qué hechos explicaban de manera satisfactoria cada uno ¿Qué hechos o fenómenos no explicaban? Respecto a la evolución del concepto de luz, responda ¿De que manera se construye el conocimiento en ciencias? ¿podría haber surgido el modelo dual sin los estudios que lo precedieron?. Explique ¿Qué aspectos diferencian la concepción de la luz propuesta por Maxwell con aquella planteada por la mecánica cuántica?

El espectro electromagnético Rayos Gamma Son las onda electromagnéticas de mayor energía Sus longitudes de onda son menores a 10 −11 𝑚 La exposición a elevadas dosis de este tipo de radiación es nociva para los seres vivos , ya que pueden atravesar cualquier tejido y, con ello, destruir y alterar el material contenido en el núcleo de las células. Aplicaciones Los yayos gamma se emplean para la esterilización de instrumental medico y el tratamiento localizado de ciertos tipos de cáncer.

Rayos X Fueron descubierto por el científico alemán Wilhelm Roentgen . Es un tipo de radiación muy energética , por lo que puede atravesar los tejidos blandos del cuerpo humao. Su longitud de onda esta comprendida entre los 10 −11 𝑦 10 −8 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 Aplicaciones Son utilizados en medicina para la detección de lesiones y enfermedades a la estructura osea, asi como en ciertos órganos internos.

Rayos ultravioleta Es una porción del espectro de mayor energía que la luz visible . Sus longitudes de onda oscilan entre los 10 −7 𝑦 10 −8 metros . Estimula la producción de vitaminas al incidir en la piel de algunos seres vivos . Sin embargo una exposición mayor a este tipo de radiación , aumenta la probabilidad de contraer cáncer. Aplicaciones: Se utiliza para la desinfección de instrumental medico , la detección de residuos biológicos y en el control de algunas plagas de insectos.

Luz visible Es una pequeña porcino del espectro electromagnético cuyas longitudes de onda oscilan entre los 700 nm ( para el color rojo) y los 400nm ( para el color violeta). Transporta mayor energía que las ondas infrarrojas.

Radiación infrarroja Fueron descubiertas por Herschel y están asociadas a las transferencias de calor por radiación . Sus longitudes de onda van desde los 10 −3 𝑎 𝑙𝑜𝑠 10 −6 metros . Aplicaciones: aparatos como los controles remotos o los sensores instalados en algunas puertas funcionan a base de este tipo de ondas.

microondas Son ondas que transportan mayor energía que las ondas de radio . Sus longitudes de onda oscilan entre 1mm y 1m. Aplicaciones: Tienen múltiples aplicaciones , en telefonía celular , en la transmisión de señales de internet y en el horno de microondas , aparato que hace vibrar las moléculas de agua presente en los alimentos.

Ondas de radio Corresponde a las menos energéticas del espectro electromagnético. Sus longitudes de onda van desde 1m hasta los 100 km Aplicaciones: se utilizan para transmitir señales de radio y televisión. En astronomía , algunos aparatos como los radiotelescopio captan las ondas de radio procedentes de diferentes objetos astronómicos.

Rosalind Franklin (1920-1958) Fue una química y cristalógrafa inglesa que estudio la estructura de algunos virus , el carbón y el grafito. Aplico los rayos X , en particular la difracción de ellos, para estudiar y describir la estructura de ADN.

Propagación rectilínea de la luz La luz se propaga en línea recta, algo que fue propuesto desde Euclides en adelante. La formación de sombra y penumbra es la prueba de este hecho. La penumbra se cumple por difracción Si la fuente luminosa es grande respecto al objeto. Caso 1 Si la fuente luminosa es pequeña respecto al objeto. Caso 2

Propiedades ondulatorias de la luz -Reflexión Reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimenta la luz cuando choca con un objeto y "rebota" La reflexión de la luz hace posible que veamos objetos que no emiten luz propia. Leyes de la reflexión - Primera ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal están en el mismo plano. - Segunda ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

¿Qué sucede cuando un rayo de luz llega a un espejo? Cuando la superficie es irregular , la luz se refleja en múltiples direcciones . Por ello no es posible que se forme una imagen en ella. Si la luz incide sobre una superficie pulida ( como un espejo) , esta es reflejada en la misma dirección , lo que permite que se formen imágenes en ella.

Aplicación de la reflexión La india siempre ha sido un lugar artífice de la ciencia, en el S.X Alhacén realiza lo que seria la primera referencia de la cámara fotográfica, la cámara oscura, se define como aparato óptico con un orificio en una de sus paredes a través del cual pasan los rayos luminosos, que forman una imagen invertida de los objetos exteriores sobre la pared opuesta.

Propiedades ondulatorias de la luz -Refracción Es el cambio de dirección que sufre la luz cuando pasa de una sustancia transparente a otra. Ejemplo, el aire, a otro, como el agua. La cuchara en un vaso con agua se ve como si estuviese rota, esto es debido a la refracción

Aplicación de la refracción El arcoíris es un fenómeno de la naturaleza inexplicable para muchos, sin embargo esta propiedad de la luz es la que permita que este sucede El sol emite los rayos luminosos y al llegar a la gota de agua al ser un medio transparente la luz se refracta y se produce toda la gama de colores del arcoíris

Propiedades ondulatorias de la luz Difracción Es un fenómeno característico de las ondas que se basa en la desviación de estas al encontrar un obstáculo o al atravesar una rendija.

Aplicación de la difracción La cristalografía de rayos X es una técnica experimental para el estudio y análisis de materiales, basada en el fenómeno de difracción de los rayos X por sólidos en estado cristalino.

Propiedades de la luz -Interferencia Es un fenómeno en el que dos o más ondas se fusionan para formar una onda resultante de mayor, menor o igual amplitud.

Aplicación de la interferencia La interferencia de la luz da lugar a muchos fenómenos de la vida cotidiana, como los brillantes colores reflejados en las pompas de jabón y en las delgadas películas oleasas en el agua, o los colores que observamos cuando el pavimento esta húmedo, eso es porque 2 ondas luminosas se superponen en en el mismo plano

Propiedades de la luz Polarización Es un fenómeno que puede producirse en las ondas electromagnéticas, por el cual el campo eléctrico oscila sólo en un plano determinado, denominado plano de polarización. Este plano puede definirse por dos vectores, uno de ellos paralelo a la dirección de propagación de la onda y otro perpendicular a esa misma dirección el cual indica la dirección del campo eléctrico.

Aplicación de la polarización Un ejemplo claro de la polarización en la vida cotidiana es el cine 3D, donde las imágenes son proyectadas, o bien por dos proyectores diferentes con filtros de polarización ortogonalmente orientado Las gafas con filtros polarizadores orientados de modo similar a los planos de polarización de las imágenes proyectadas aseguran que cada ojo reciba sólo la imagen correcta.

Propiedades de la luz El efecto Doppler Es el cambio observado en la frecuencia de la luz procedente de una fuente en movimiento relativo con respecto al observador.

Si la fuente luminosa se aleja del observador , este la verá desplazada hacia el rojo. Si la fuente luminosa se acerca al observador , este la verá desplazarse hacia el azul.

El efecto Doppler y la expansión del universo. El efecto Doppler aplicado a la observación de los cuerpos celestes ha ayudado a demostrar la expansión del universo . Cuando una galaxia se acerca respecto de un observador en la tierra , la longitud de onda de la luz que proviene de ella disminuye , por lo que en la región visible su luz se acerca al color azul. Por el contrario, cuando la galaxia se aleja , su longitud de onda aumenta y su luz en la región visible se acerca al color rojo Se utiliza un espectroscopio Se ha observado que el universo se expande. WMAP , 71±4 𝐾𝑚 𝑠 ( 14.000 𝑚𝑖𝑙𝑙𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑎ñ𝑜𝑠)

¿Cómo se forman los colores? Las ondas forman, según su longitud de onda, distintos tipos de luz, como infrarroja, visible, ultravioleta o blanca. Los objetos devuelven la luz que no absorben hacia su entorno. Nuestro campo visual interpreta estas radiaciones electromagnéticas que el entorno emite o refleja, como la palabra "COLOR".

Cuando la luz blanca incide sobre un prisma , cada uno de los colores que la componen se refracta en su interior en un angulo distinto. Esto se debe a que la longitud de onda de cada uno de ellos es distintya. De esta manera la luz es dispersada en una serie de colores, conocida como espectro visible Estos colores en orden de longitud de onda decrecientes son: rojo, naranja , amarillo , verde , azul violeta.

Percepción de los colores Mediante la propiedades de la reflexión, el objeto absorbe los demás colores y refleja el propio

¿Qué es un espejo? Se denomina espejo a toda superficie que produce reflexión en los objetos, ej.: agua. Cuando un haz de luz incide en un espejo, este puede generar imágenes virtuales o reales, derechas o invertidas y de distinto o igual tamaño.

Clasificación de los espejos Según su forma pueden ser planos o curvos (cóncavos o convexos).

Espejos planos Forman una imagen virtual, mismo tamaño, derecha (se encuentran a la misma distancia A y A´ del espejo

Como se forma una imagen en un espejo. Espejo plano. Un espejo es una superficie pulida y opaca que refleja especularmente la luz . Imágenes virtuales: parecen porvenir de un punto por detrás de la superficie reflectora ( prolongaciones Reales: Pueden ser proyectadas en una pantalla o plano ubicado fuera del espejo.

Espejos planos La imagen formada por un espejo plano puede ser explicada mediante la reflexión

Cuando la superficie reflectora esta ubicada de forma horizontal , la imagen experimenta una reflexión directa viéndose de igual tamaño que el objeto, pero invertida.

Espejos curvos Elementos de los espejos curvos

Espejos curvos. Es parte de un casquete esférico que refleja la luz en una de las superficies. Cuando la superficie que refleja la luz es la interior el espejo es cóncavo Cuando la superficie que refleja la luz es la exterior , el espejo es convexo.

Rayos notables Para la formación de imágenes, diferentes haces de luces son reflejados contra el espejo, estos son 3: Rayo paralelo: es un rayo que llega paralelo al Eje Principal, y su reflejo pasa por el Foco Rayo focal: es un rayo que llega al espejo pasando por el Foco, y se refleja permaneciendo paralelo al Eje Principal. Rayo radial o central: es un rayo que llega al espejo pasando por el Centro de Curvatura

Foco: punto donde convergen los rayos de luz después de ser reflejados por el espejo curvo. Centro de curvatura: centro del circulo o esfera , del cual el espejo es sección. Eje óptico: recta horizontal que pasa por el centro de curvatura ( en ella se ubica el centro y el foco) Vértice óptico: centro del espejo.

Foco de un espejo curvo.

Rayos notables RP: rayo paralelo RF: rayo focal RC: rayo radial o central

Formación de imágenes en espejos curvos CÓNCAVOS 1er caso(Antes del Centro de Curvatura) Cuando el objeto esta situado antes del CC, la imagen que se crea es real, invertida, y de menor tamaño 2do caso(En el centro de Curvatura) Cuando el objeto esta situado en el CC, la imagen que se crea es real, invertida y del mismo tamaño

Formación de imágenes en espejos curvos 3er caso(Entre el Centro de Curvatura y el Foco) Cuando el objeto esta situado entre el CC y el Foco, la imagen que se crea es real, invertida y de mayor tamaño. 4to caso(En el foco) Cuando el objeto esta situado en el foco, la imagen NO existe

Formación de imágenes en espejos curvos 5to caso(Después del foco) Cuando el objeto esta situado después del Foco, la imagen que se crea es virtual, derecha y de mayor tamaño. CONVEXO UNICO CASO Cuando el objeto esta situado en la parte real, la imagen que se crea es virtual, derecha, y de menor tamaño

Aplicaciones de los espejos

Lentes Las lentes son piezas elaboradas de material transparente y limitadas por dos superficies, que pueden ser curvas, o bien una plana y la otra curva. Su funcionamiento se basa en la refracción, ya que hace variar la dirección de los haces de luz mediante el cambio de medio de propagación, principalmente aire-vidrio (o viceversa).

Lentes convergentes Formación de imágenes Los lentes convergentes se caracterizan por ser mas gruesos en el centro que en los bordes, por ellos cuando los rayos de luz inciden, se refractan y luego se intersecan después de atravesarlas, en un punto llamado foco principal. La distancia entre el centro del lente y el foco se llama distancia focal Formación de imágenes 1 El primer rayo se traza paralelo al eje óptico, se refracta en la lente y llega al foco real. 2 El segundo rayo se traza por el centro óptico (0) y no se desvía. 3 El tercer rayo se hace pasar por el foco, al llegar a la lente se refracta y sigue paralelo al eje de simetría.

Formación de imágenes en lentes convergentes 1er caso(Antes del Centro de Curvatura) Cuando el objeto esta situado antesdel CC, la imagen que se crea es real, invertida, y de menor tamaño 2do caso(En el centro de Curvatura) Cuando el objeto esta situado en el CC, la imagen que se crea es real, invertida y del mismo tamaño

Formación de imágenes en lentes convergentes 3er caso(Entre el Centro de Curvatura y el Foco) Cuando el objeto esta situado entre el CC y el Foco, la imagen que se crea es real, invertida y de mayor tamaño. 4to caso(En el foco) Cuando el objeto esta situado en el foco, la imagen NO existe

Formación de imágenes en lentes convergentes 5to caso(Después del foco) Cuando el objeto esta situado después del Foco, la imagen que se crea es virtual, derecha y de mayor tamaño.

Aplicación de lentes convergentes La lupa es un instrumento óptico que consta de una lente convergente de corta distancia focal, que desvía la luz incidente de modo que se forma una imagen virtual ampliada del objeto.(CASO 5)

Lentes divergentes Los lentes divergentes se caracterizan por ser mas delgadas en su centro que en los bordes. Debido a esto, tienden a dispersar los rayos de luz que inciden sobre ellas. En este lente el foco se ubica en el punto donde se intersecan las proyecciones de los rayos refractados. A este punto se le llama foco virtual

Formación de imágenes en lentes divergentes *LOS LENTES DIVERGENTES SIEMPRE CREAN IMÁGENES VIRTUALES, DERECHAS Y DE MENOR TAMAÑO

Aplicación de lentes divergentes La cámara es un instrumento óptico que consta de una lente bicóncava y una biconvexa que producen una imagen virtual y no invertida; algunas llevan una línea brillante en sus márgenes para delimitar la zona de encuadre.