TEMA 4: OPTICAINTRODUCCION

El estudio de las distintas teorías que a lo largo de la Historia han surgido para interpretar los fenómenos luminosos es un buen ejemplo que ilustra la evolución del método seguido por los científicos: siempre abierto a cambios y sometido a la prueba definitiva de la verificación experimental.

La historia de la Óptica geométrica e instrumental está relacionada con la historia de las lentes, el descubrimiento de las leyes de la reflexión y de la refracción y de la formación de las imágenes. Resulta interesante conocer cómo se inventaron y desarrollaron los primeros instrumentos ópticos, como el telescopio, el microscopio y el espectroscopio ya que la mayoría de los instrumentos ópticos posteriores son modificaciones de éstos.

Dentro de los antecedentes de la óptica destacan diversos científicos y pensadores dentro de los más importantes el físico iraquí Al-aitham que es conocido como el padre de la óptica moderna debido a sus experimentos realizados con lentes y espejos en el estudio de la refracción, difracción, reflexión y polarización de la luz.

En el siglo XVII fueron propuestas dos teorías alternativas sobre la naturaleza de la luz:

La teoría corpuscular, que consideraba que la luz está formada por pequeñas partículas (corpúsculos) que se mueven en línea recta y a gran velocidad en un éter lumínico. Esta teoría fue enunciada por Isaac Newton en 1671.

La teoría ondulatoria, que defendía que la luz es una onda que se desplazaba a través de un medio material ideal que impregna todo el espacio, llamado éter. Teoría formulada por Christian Huygens en 1678.

DESARROLLO

Definición: La óptica es la rama de la física que analiza las características y las propiedades de la luz, estudiando cómo se comporta y se manifiesta

Propagación rectilínea de la luz

¿Qué es la luz?

La luz es una radiación que se propaga en forma de ondas. Las ondas que se pueden propagar en el vacío se llaman ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS. La luz es una radiación electromagnética.

Características de las ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío a la velocidad de 300000 km/s, que se conoce como "velocidad de la luz en el vacío" y se simboliza con la letra c (c = 300000 km/s).

Es normal ver que los rayos de luz se propagan en línea recta. Sin embargo, hay que aclarar que esto sólo ocurre cuando los rayos se propagan en un espacio libre y cuando no se les presentan determinados obstáculos. Por ejemplo, cuando las ondas luminosas pasan rozando un objeto o a través de una pequeña abertura, sufren una desviación mas o menos grande.

La propagación rectilínea de los rayos luminosos, es fácil darnos cuenta de ello si nos fijamos en la luz del sol que atraviesa las nubes o en un cuarto que contenga aire cargado de polvo o humo, en la cual entre la luz por una rendija u orificio de una ventana.

La velocidad de la luz en el vacío no puede ser superada por la de ningún otro movimiento

existente en la naturaleza. En cualquier otro medio, la velocidad de la luz es inferior.

Intensidad luminosa

La intensidad luminosa es el concepto de la concentración de luz en una dirección específica, radiada por segundo. Se designa con el símbolo I. La unidad es la(cd).La intensidad luminosa puede definirse como:El flujo luminoso en una determinada dirección, radiado por unidad de ángulo sólido.

1 candela = 1 lumen / estereorradián

FLUJO LUMINOSO

El flujo luminoso es la medida de la potencia luminosa percibida. Difiere del flujo radiante, la medida de la potencia total emitida, en que está ajustada para reflejar la sensibilidad del ojo humano a diferentes longitudes de onda.

Su unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades es el lumen (lm) y se define a partir de la unidad básica del SI, la candela (cd), como:

El flujo luminoso se obtiene ponderando la potencia para cada longitud de onda con la función de luminosidad, que representa la sensibilidad del ojo en función de la longitud de onda. El flujo luminoso es, por tanto, la suma ponderada de la potencia en todas las longitudes de onda del espectro visible. La radiación fuera del espectro visible no contribuye al flujo luminoso.

REFLEXION DE LA LUZ

La reflexión suele asociarse al análisis de alguna situación a través del pensamiento. En el ámbito de la física, sin embargo, la reflexión (del latín reflexĭo) es una modificación que se produce en la dirección de una onda o de un rayo. Dicho cambio tiene lugar en el espacio que separa dos medios, lo que hace que la onda o el rayo vuelva a su medio original.

Un fenómeno o acción esta que se produce en el campo de la luz y que para entenderlo hay que tener muy presente que dicha luz se caracteriza fundamentalmente porque cuenta con tres propiedades básicas. La primera de ellas es que se propaga en línea recta. La segunda es que se refleja cuando llega a cualquier superficie que sea reflectante y la tercera es que cambia de dirección en el momento que pasa de un medio a otro.

LAS LEYES DE REFLEXIÓN SON:

El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran en un mismo plano.

El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

REFRACCION DE LA LUZ

Se denomina refracción luminosa al cambio que experimenta la dirección de propagación de la luz cuando atraviesa oblicuamente la superficie de separación de dos medios transparentes de distinta naturaleza. Las lentes, las máquinas fotográficas, el ojo humano y, en general, la mayor parte de los instrumentos ópticos basan su funcionamiento en este fenómeno óptico.

El fenómeno de la refracción va, en general, acompañado de una reflexión, más o menos débil, producida en la superficie que limita los dos medios transparentes. El haz, al llegar a esa superficie límite, en parte se refleja y en parte se refracta, lo cual implica que los haces reflejado y refractado tendrán menos intensidad luminosa que el rayo incidente. Dicho reparto de intensidad se produce en una proporción que depende de las características de los medios en contacto y del ángulo de incidencia respecto de la superficie límite. A pesar de esta circunstancia, es posible fijar la atención únicamente en el fenómeno de la refracción para analizar sus características.

Las leyes de la refracción

Al igual que las leyes de la reflexión, las de la refracción poseen un fundamento experimental. Junto con los conceptos de rayo incidente, normal y ángulo de incidencia, es necesario considerar ahora el rayo refractado y el ángulo de refracción o ángulo que forma la normal y el rayo refractado.

Sean 1 y 2 dos medios transparentes en contacto que son atravesados por un rayo luminoso en el sentido de 1 a 2 y e1 y e2 los ángulos de incidencia y refracción

respectivamente. Lasleyes que rigen el fenómeno de la refracción pueden, entonces, expresarse en la forma:

1.ª Ley. El rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano.

2.ª Ley. (ley de Snell) Los senos de los ángulos de incidencia e1 y de refracción e2 son directamente proporcionales a las velocidades de propagación v1 y v2 de la luz en los respectivos medios.

DIFRACCION DE LA LUZ

La difracción de la luz es la curvatura de las ondas de luz alrededor de un objeto. La cantidad de luz difractada, o que cambia de dirección, depende del tamaño de un objeto. Ésto también se aplica a las ondas de luz que pasan a través de una abertura, tal como la apertura de una cámara o a través de la pupila de un ojo. Como las ondas de luz pasan por el borde de un objeto o por una abertura, la luz es difractada o rota en los colores del arco iris.

La difracción de la luz es la curvatura de las ondas de luz alrededor de un objeto. La cantidad de luz difractada, o que cambia de dirección, depende del tamaño de un objeto. Ésto también se aplica a las ondas de luz que pasan a través de una abertura, tal como la apertura de una cámara o a través de la pupila de un ojo. Como las ondas de luz pasan por el borde de un objeto o por una abertura, la luz es difractada o rota en los colores del arco iris.

A menudo, la difracción y la refracción de la luz se confunden uno con otro. La refracción de la luz es causada por la luz que pasa a través del material transparente, tal como el agua, que hace que la velocidad de la onda de luz se frene y se doble. La luz no se separa en los colores del arco iris como con la difracción.

POLARIZACION DE LA LUZ

La luz tiene propiedades como partícula y como onda electromagnética. Estas características como onda electromagnética hacen que se vuelva polarizada. Debido a que las ondas de luz tienen la capacidad de vibrar en direcciones múltiples, es posible cerrar algunos de estos ejes y así se produce la luz polarizada. La luz se puede polarizar a través de varias técnicas.

La polarización es una propiedad de las ondas que describe la orientación de sus muchas oscilaciones. Para propósitos de ondas transversales, se describe a sus oscilaciones perpendiculares a la dirección en que viaja la onda. Una forma sencilla de visualizar esto es imaginando que una onda se va alejando de ti. Los ejes que son perpendiculares a la dirección de esta onda entonces parecerían ser horizontales o verticales.

TEMA 5: ACUSTICAINTRODUCCION:

Definición:

La acústica es una rama de la física interdisciplinaria que estudia el sonido, infrasonido y ultrasonido, es decir ondas mecánicas que se propagan a través de la materia (tanto sólida como líquida o gaseosa) (no pueden propagarse en el vacío) por medio de modelos físicos y matemáticos. A efectos prácticos, la acústica estudia la producción, transmisión, almacenamiento, percepción o reproducción del sonido.

La acústica tiene su origen en la Antigua Grecia y Roma, entre los siglos VI a. C. y I d. C. Comenzó con la música, que se venía practicando como arte desde hacía miles de años, pero no había sido estudiada de forma científica hasta que Pitágoras se interesó por la naturaleza de los intervalos musicales. Quería saber por qué algunos intervalos sonaban más bellos que otros, y llegó a respuestas en forma de proporciones numéricas. Aristóteles (384 a 322 a. C.) comprobó que el sonido consistía en contracciones y expansiones del aire «cayendo sobre y golpeando el aire próximo», una buena forma de expresar la naturaleza del movimiento de las ondas. Alrededor del año 20 a. C., el arquitecto e ingeniero romano Vitruvio escribió un tratado sobre las propiedades acústicas de los teatros, incluyendo temas como la interferencia, los ecos y la reverberación; esto supuso el comienzo de la acústica arquitectónica.

DESARROLLO

ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

El espectro electromagnético (o simplemente espectro) es el rango de todas las radiaciones electromagnéticas posibles. El espectro de un objeto es la distribución característica de la radiación electromagnética de ese objeto.

El espectro electromagnético se extiende desde las bajas frecuencias usadas para la radio moderna (extremo de la onda larga) hasta los rayos gamma (extremo de la onda corta), que cubren longitudes de onda de entre miles de kilómetros y la fracción del tamaño de un átomo. Se piensa que el límite de la longitud de onda corta está en las cercanías de la longitud Planck, mientras que el límite de la longitud de onda larga es el tamaño del universo mismo, aunque en principio el espectro sea infinito y continuo.

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda (rayos gamma, rayos X), hasta las de mayor longitud de onda (ondas de radio).

Todas las radiaciones electromagnéticas se transmiten a la velocidad de la luz (300.000 km/segundo) y en forma de ondas.

Por lo cual, mientras más corta sea la longitud de onda, más alta es la frecuencia de la misma. Onda corta, significa alta frecuencia. Onda larga, baja frecuencia. Desde un punto de vista teórico, el espectro electromagnético es infinito y continuo.

La energía electromagnética en una particular longitud de onda λ (en el vacío) tiene una frecuencia f asociada y una energía de fotón E. Por tanto, el espectro electromagnético puede ser expresado igualmente en cualquiera de esos términos.

PROLONGACION DEL SONIDO

El sonido se produce por el movimiento vibratorio de un cuerpo y se propaga en forma de ondas elásticas, en un medio físico.

El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras que se producen cuando los órganos de audición del oído humano captan las oscilaciones de la presión del aire, y se perciben por el cerebro. La propagación del sonido en los fluidos toma la forma de fluctuaciones de presión.1 En los cuerpos sólidos la propagación del sonido implica variaciones del estado tensional del medio.

La propagación del sonido supone un transporte de energía sin transporte de materia, en forma de ondas mecánicas que se propagan a través de la materia sólida, líquida o gaseosa. Como las vibraciones se producen en la misma dirección en la que se propaga el sonido, se trata de una onda longitudinal, que se trasmite en línea recta, desde el punto de origen.

Transmisión

La velocidad con que se transmite el sonido depende, principalmente, de la elasticidad del medio, es decir, de su capacidad para recuperar su forma inicial. El acero es un medio muy elástico, en contraste con la plastilina, que no lo es. Otros factores que influyen son la temperatura y la densidad.

Absorción

La capacidad de absorción del sonido de un material es la relación entre la energía absorbida por el material y la energía reflejada por el mismo, cuando el sonido incide sobre el material.

Su valor varía entre 0 (toda la energía se refleja) y 1 (toda la energía es absorbida).

Reflexión

Fenómeno por el cual una onda se refleja en un material no absorbente o parcialmente absorbente del sonido.

El eco se produce cuando este sonido es alterado por una constante que da como resultado un sonido que se refleja en un medio más denso y llega al oído de una persona con una diferencia de tiempo igual o superior a 0,1 segundos, respecto del sonido que recibe directamente de la fuente sonora.

Refracción

Cuando un sonido pasa de un medio a otro, se produce refracción. La desviación de la onda se relaciona con la rapidez de propagación en el medio.

El sonido se propaga más rápidamente en el aire caliente que en el aire frío.

Difracción o dispersión

Si el sonido encuentra un obstáculo en su dirección de propagación, en el borde del obstáculo se produce el fenómeno de difracción, por el que una pequeña parte del sonido sufre un cambio de dirección y puede seguir propagándose.

Difusión

Si la superficie donde se produce la reflexión presenta alguna rugosidad, la onda reflejada no sólo sigue una dirección sino que se descompone en múltiples ondas.

La velocidad de propagación de la onda sonora (velocidad del sonido) depende de las características del medio en el que se transmite dicha propagación; presión, temperatura, densidad, humedad. En general, la velocidad del sonido es mayor en los sólidos que en los líquidos y en los líquidos mayor que en los gases, dada la densidad de las partículas que permite un mayor intercambio de energía cuando estas se encuentran más cerca.

La velocidad del sonido es la dinámica de propagación de las ondas sonoras. En la atmósfera terrestre es de 343 m/s (a 20 °C de temperatura, con 50% de humedad y a nivel del mar). La velocidad del sonido varía en función del medio en el que se trasmite. Dado que la velocidad del sonido varía según el medio, se utiliza el número Mach = 1 para indicarla. Así un cuerpo que se mueve en el aire a Mach 2 avanza a dos veces la velocidad del sonido en esas condiciones, independientemente de la presión del aire o su temperatura.

La velocidad o dinámica de propagación de la onda sonora depende de las características del medio en el que se realiza dicha propagación y no de las características de la onda o de la fuerza que la genera. Su propagación en un medio puede servir para estudiar algunas propiedades de dicho medio de transmisión.

LAS CUALIDADES DEL SONIDO

Un aspecto importante que debemos conocer para sensibilizar nuestros oídos a la escucha activa es la identificación de las cualidades sonoras.

Podemos distinguir cuatro cualidades:

La altura o tono. Está determinado por la frecuencia de la onda. Medimos esta característica en ciclos por segundos o Hercios (Hz). Para que podamos percibir los humanos un sonido, éste debe estar comprendido en la franja de 20 y 20.000 Hz. Por debajo tenemos los infrasonidos y por encima los ultrasonidos.

La intensidad. Nos permite distinguir si el sonido es fuerte o débil. Está determinado por la cantidad de energía de la onda. Los sonidos que percibimos deben superar el umbral auditivo (0 dB) y no llegar al umbral de dolor (140 dB). Esta cualidad la medimos con el sonómetro y los resultados se expresan en decibeles (dB).

La duración. Esta cualidad está relacionada con el tiempo de vibración del objeto. Por ejemplo, podemos escuchar sonidos largos, cortos, muy cortos, etc..

El

timbre. Es la cualidad que permite distinguir la fuente sonora. Cada material vibra de una

forma diferente provocando ondas sonoras complejas que lo identifican. Por ejemplo, no suena lo mismo un clarinete que un piano aunque interpreten la misma melodía.

FENÓMENOS ACÚSTICOS: REFLEXIÓN, ECO, RESONANCIA, REVERBERACIÓN, EFECTO DOPPLER.

Concepto de la AcústicaLa acústica es la parte de la física que se encarga de estudiar al sonido en su conjunto. Los fenómenos acústicos son consecuencia de algunos efectos auditivos provocados por el sonido.

ReflexiónÉsta se produce cuando las ondas sonoras se reflejas al chocar con una pared dura. Si la dirección de propagación de la onda sonora incide perpendicularmente en una superficie, se refleja en sentido contrario; pero si incide en forma oblicua, los ángulos de incidencia y de reflexión son iguales.

EcoSe origina por la repetición de un sonido reflejado y se escucha claramente en salones amplios en donde la pared se encuentra a unos 17 metros como mínimo de distancia del oyente, ya que para oír separadamente el sonido original y el reflejado se requieren 0.1 segundos, tiempo necesario para que el oído distinga dos sonidos distintos. Así en 0.1 segundos distintos recorrerá 34 metros (17 m de ida y 17 m de regreso), si consideramos una velocidad de propagación del sonido en el aire de 340 m/s.Una Amplitud de eco se observa al medir la profundidad del mar o detectar submarinos o bancos de peces con un aparato llamado sonar.

ResonanciaSe presenta cuando la vibración de un cuerpo hace vibrar a otro con la misma frecuencia. Este fenómeno se aplica en las llamadas cajas de resonancia que tiene algunos instrumentos musicales, para aumentar la intensidad del sonido original.

ReverberaciónPercepción e intervalos de tiempo muy pequeños de un sonido emitido y de sus múltiples reflexiones sobre la superficie existente en un local. Dando lugar a un persistencia de sonido después de su emisión durante un tiempo tanto mayor como menor sea la absorción de esas superficie

Efecto DopplerConsiste en un cambio aparente de la frecuencia de cualquier onda emitida, como es el caso de una onda sonora o una onda luminosa, cuando la fuente generadora de la ondas se acerca o se aleja del observador. El físico Austriaco Christian Doppler describió dicho efecto en el año 1842. En el caso de las ondas sonoras el efecto Doppler se aprecia claramente al escuchar la sirena de una ambulancia, pues notamos que el tono se hace agudo a medida que se aproxima y después se hace grave al alejar. Cuando la fuente sonora se acerca al observar, las ondas que emite tienden a alcanzar a las que desplazan delante a alcanzar a las que se desplazan delante de ella.f^'= (f V)/(V ±v)f^' Frecuencia aparente escuchada por el observador en ciclos/sf Frecuancia real del sonido emitido por la fuente sonora en ciclos/sV Velocidad a la que se propaga el sonido en el aire en m/sv Velocidad a la que se mueve la fuente sonora en m/s