Los modelos de la luz: OPTICA GEOMÉTRICA

Modelos Luz como: Rayos Óptica geométrica Ondas Óptica física Fotones Óptica cuántica MT: En toda ciencia , exacta o social, se toma una muestra de la realidad a estudiar y se hace un modelo que permita estudiarla. La luz puede estudiarse bajo tres aspectos o modelos: rayos, ondas y partículas (fotones) Los rayos no explican la naturaleza de la luz sino que sirven para decir en qué dirección se propaga la energía lumínica y nos permiten diseñas instrumentos ópticos como lentes, espejos microscopios telescopios como el Huble, cámaras , etc. Sin embargo ¡qué es la luz? A través de los tiempos se trató de asimilar la luz a partículas o a ondas, que son los dos modelos principales que usa la física para explicar los fenómenos que estudia. Al observar efectos como los colores de las pompas de jabón o de las capas de aceite en el agua se encontraron con que no era posible explicarlos pensando a la luz como partículas pero si pensando que la luz eran ondas (como las ondas en el agua cuando tiro una piedra) Estos efectos son los que producen también los colores que vemos en los CD Sin embargo se encontraron otros efectos, como el fotoeléctrico (el que permite que no se cierren las puertas de los ascensores automáticos cuando pasamos delante de la luz que llega a las celdas) que no se podían explicar con ondas. Aquí Einstein, usando una idea previa de Plank, propone que la luz son fotones y aparece la óptica cuantica. Por esta explicación es que le otorgan el premio nobel (no por la teoría de la relatividad) y como lo propuso en 1905 (hace 100 años) por eso es este año el año internacional de la Física. Volviendo al tema resulta que los efectos que se explican con ondas no se pueden explica r con fotones y los que se explican con fotones no se pueden explicar con ondas, entonces ¿qué es la luz? La física cuántica nos dice que no podemos saberlo: que todas las cosas se comportan como ondas o como partículas según sea la interacción y sigue el interrogante....

Idem anterior

Aquí se manifiesta la influencia del tamaño del agujero. La cámara oscura. Notar la variación de la claridad de la imagen a medida que el diámetro del agujero decrece. (Hecht, pág. 199)

C Á M A R A O S C U R A

Reflexión y refracción de la luz Rayo reflejado Rayo incidente Rayo refractado Haz incidente en una interfaz aire-agua MT Mostrar la pecera con laser y utilizar esto como apoyo al mismo tiempo

Dirección normal a la superficie en el punto de incidencia Ley de reflexión i i’ Incidente reflejado Dirección normal a la superficie en el punto de incidencia La idea es ver la reflexión de los rayos en la superficie de la pecera y en espejos planos utilizando el laser y también la caja de rayos. i=i’ Rayo incidente , rayo reflejado y normal a la superficie en el mismo plano

Reflexión de la luz MT mostrar brevemente esto en papel de alumnio y/ o en una bandeja plateda. Figura 4: a) Reflexión especular- b) Reflexión difusa

ESPEJOS PLANOS Condiciones para poder ver la imagen de una fuente puntual P: condición necesaria que el ojo esté en el semiespacio superior del espejo. no es necesario que la fuente esté enfrente del espejo. Mostrar brevemente. Experiencia laboratorio F2 En primer lugar veamos las condiciones que se deben cumplir para poder ver la imagen de una fuente puntual P formada sobre un espejo plano. Está claro que es condición necesaria que el ojo esté en el semiespacio superior del espejo, ya que al ojo deben llegar por lo menos algunos rayos provenientes de la fuente y reflejados en el espejo. También vemos que no es necesario que la fuente esté enfrente del espejo.

Imágenes en dos espejos

DOS ESPEJOS El número de imágenes depende de la posición de la fuente y del ángulo entre los espejos. Antes Y luego……..¿daríamos algo de teoría sobre espejos? De esta misma manera se puede probar que el tamaño de la imagen de un objeto finito es igual al tamaño del objeto. Actividad 3: imágenes en dos espejos Materiales: tubo corte de calidoscopio. Actividad en el ascensor Otras aplicaciones: caleidoscopio-periscopio-caja misteriosa

Refracción

Ley de refracción Ley de Snell n1 sen i = n2 sen r i n1 n2 r Rayo incidente , rayo refractado y normal a la superficie en el mismo plano

EJEMPLOS

¿Qué pasa cuando incide luz blanca? Definición de n El índice de refracción n depende de la longitud de onda en el vacío n=n(0) y del medio. Ejemplo: arco iris

Dispersión: dependencia de n con la longitud de onda

regla

Reflexión total interna ¿Qué ocurre cuando el ángulo de incidencia es igual al “crítico”? Mostrarlo con la pecera 8usando laser,linterna y caja de rayos)

Fibras ópticas

Depende también de la frecuencia en medios dispersivos Material Índice Vacío 1,00000 Aire (CNTP) 1,00029 Hielo 1,31 Agua (20°C) 1,33 Acetona 1,36 Alcohol etílico Solución de azúcar (30%) 1,38 Fluorita 1,433 Cuarzo fundido 1,46 ¿Qué es el índice de refracción? Material Índice Glicerina 1,473 Solución de azúcar (80%) 1,49 Vidrio crown 1,52- 1,62 Cloruro de sodio 1,54 Poliestireno 1,55 – 1,59 Vidrio Flint 1,57 – 1,75 Diamante 2,41 C=velocidad de la luz en el vacío V= velocidad de la luz en el medio Depende también de la frecuencia en medios dispersivos Observar la refracción en distintas sustancias (por ejemplo: agua,aceite, glicerina, etc)

Corrimiento lateral en láminas de caras paralelas Lámina de caras paralelas

Para ángulos de prisma pequeños MÍNIMO= (n-1)  : DESVIACIÓN La desviación depende del ángulo de incidencia. Existe un ángulo para el cual la desviación es mínima En desviación mínima i=i’  i i’  n r r’ Para ángulos de prisma pequeños MÍNIMO= (n-1) 

reflexión

refracción

El espejo plano invierte la imagen en la dirección perpendicular al espejo y no en direcciones paralelas al mismo

Espejo cóncavo Espejo convexo Espejo plano

Focos reales Focos virtuales ESPEJO CÓNCAVO ESPEJO CONVEXO FOCO IMAGEN: Objeto en infinito (rayos paralelos) se reflejan pasando por el foco ESPEJO CÓNCAVO FOCO OBJETO: Es el punto donde se coloca un objeto y los rayos se reflejan paralelos ESPEJO CONVEXO Focos reales Focos virtuales Explicar en qué consiste la “aproximación paraxial”

TRAZADO DE RAYOS El rayo que incide paralelo al eje, pasando por la punta del objeto, se refleja pasando él (o su prolongación) por el foco imagen El rayo que incide desde el objeto, pasando (él o su prolongación), por el foco imagen, se refleja paralelo. C F=F’ IMAGEN VIRTUAL OBJETO REAL

Espejos esféricos: estudiamos la reflexión en una superficie esferica Foto espejo esférico y trazado de rayos y fotos de trazado (mostrar trazado) Simulaciones EDUTEKA Imagen real en el espejo cóncavo grande Caja de rayos en el mencionado espejo EDUTEKA

Analíticamente Y+ R X+ X Aumento lateral X’ C Objeto del mismo lado que la luz que llega: S > 0 Imagen del mismo lado que la luz que sale: S’ > 0 Centro de curvatura del mismo lado que la luz que sale: C > 0