fisica general, unidad 3, optica

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Física General Instituto Tecnológico de Chetumal. Ingeniería en Sistemas Computacionales. Física General. Unidad 3: Óptica. Elaboró: Pineda Uc German Alejandro. Asesor: Acevedo Huerta Brando Alejandro. 04 de Diciembre del 2015

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Resumen de la unidad 3 de la materia de física general.

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Page 1: Fisica General, Unidad 3, Optica

Física General

Instituto Tecnológico de Chetumal.

Ingeniería en Sistemas Computacionales.

Física General.

Unidad 3: Óptica.

Elaboró: Pineda Uc German Alejandro.

Asesor: Acevedo Huerta Brando Alejandro.

04 de Diciembre del 2015

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Introducción.La unidad aborda diversos temas que se relacionan con la óptica como la luz, la reflexión, fibra óptica, lentes, etc.

Conocer tanto los conceptos de cada uno de los temas abarcados en la unidad, así como las representaciones de los mismos es importante no solo educativamente, si no que otorga una nueva visión al respecto de estos temas, se conoce la velocidad de la luz, las propiedades y las fuerzas que intervienen en el simple hecho de que la luz se refleje, como funciona matemáticamente un espejo o la fibra óptica, entre otros.

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Objetivos. Entender que la óptica geométrica se ocupa de las trayectorias de la

energía radiante a través de distintos medios. Conocer el principio de Fermat y las leyes y principios fundamentales de la

óptica. Conocer el significado de los conceptos y nomenclatura más utilizada en

óptica geométrica. Conocer el criterio de signos y saber aplicarlo. Saber deducir la ecuación del dioptrio esférico (óptica paraxial) y saber

aplicarla. Conocer el concepto de aumento lateral y aplicarlo con corrección. Conocer los elementos cardinales de una superficie. En particular el

concepto de focal. Deducir la formación de imágenes a través de una superficie esférica

refractante mediante el trazado de rayos. Deducir a partir de la ecuación del dioptrio esférico las ecuaciones que

gobiernan la óptica de cualquier otra superficie: plana refractante, espejos esféricos y espejos planos.

Deducir la formación de imágenes a través de cualquier superficie mediante el trazado de rayos.

Conocer el concepto de lente delgada y conocer los tipos de lentes. Deducir a partir de la ecuación del dioptrio esférico la ecuación que

gobierna la óptica de las lentes delgadas. Deducir la formación de imágenes a través de una lente delgada mediante

el trazado de rayos. Conocer los instrumentos ópticos fundamentales y el aumento visual de

cada uno de ellos. Conocer los defectos de visión más comunes y saber interpretarlos.

Resolver con corrección cuestiones y problemas relacionados con los contenidos explicados.

Dominio de las unidades correspondientes.

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Marco teórico.La óptica es la rama de la física que estudia las propiedades de la luz, es decir su propagación e interacción con la materia. La luz visible designa a la región del espectro de radiación electromagnética que se extiende desde una longitud de onda ? = 390nm hasta ? = 780nm; aunque actualmente es común incluir la radiación infrarroja que abarca desde los 780nm hasta los 300nm y la ultravioleta que va desde los 15nm hasta los 390nm10.

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3.1 Óptica Geométrica.El concepto básico con que opera la óptica geométrica es el rayo luminoso, que, como veremos, da solo una descripción aproximada del camino que la luz sigue en el espacio, pero para muchos fines prácticos esa aproximación es suficiente. Siendo un rayo luminoso un concepto geométrico. No se puede reproducir en un laboratorio, pero hacemos uso de una fuente de rayo paralelo y, limitado de esta porción, de tal manera que se deje pasar un haz cilíndrico de luz, se pueden reproducir casi todos los resultados teóricos con una aproximación.

Las Leyes de reflexión.

Se llama reflexión al rechazo que experimenta la luz cuando incide sobre una determinada superficie. Toda superficie que tenga la propiedad de rechazar la luz que incide en ella se llama superficie reflectora; lo contrario de una superficie reflectora es una superficie absorbente; estas superficies capturan la luz que incide sobre ellas transformándola en otras formas de energía, generalmente energía calorífica.

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3.1.1 Concepto de Luz.

La luz es una forma de radiación electromagnética, llamada energía radiante, capaz de excitar la retina del ojo humano y producir, en consecuencia, una sensación visual. El concepto luz tiene absoluta relación con quien la percibe, y es a través de ella que el hombre se conecta visualmente con el mundo que lo rodea.

La energía radiante fluye en forma de ondas en cualquier medio con una dirección determinada, y sólo es perceptible cuando interactúa con la materia, que permite su absorción o su reflejo. Hay entonces un cuerpo emisor de la energía radiante y otro que la recibe. Esta interacción o transferencia de energía de un cuerpo a otro se denomina radiación. Físicamente se puede interpretar la luz de 2 maneras, asociadas entre sí:

• Como una onda electromagnética. • Como un corpúsculo o partícula.

Características de la luz:

• Amplitud (altura de la onda). • Longitud de onda (comportamiento espacial): [nm] (nanometro). • Velocidad: [km/seg] es la distancia que recorre la onda en 1 segundo. • Frecuencia (comportamiento temporal): [hz], definida por el número de

ondas que asan en un segundo por un punto fijo. Se estima en la longitud de onda multiplicada por 1014 ciclos por segundo.

La luz se transmite en el vacío a la velocidad que denominamos “velocidad de la luz” (299.792,458 km/seg, según la teoría de la relatividad de Einstein), comprendiendo diferentes longitudes de onda y frecuencias. Cuando cambia de medio (aire, agua, vidrio, etc.) cambia su velocidad y su longitud de onda, permaneciendo constante su frecuencia.

• Espectro electromagnético.

Se denomina espectro electromagnético al ordenamiento de la energía radiante según la longitud de onda o la frecuencia. Se extiende desde longitudes de onda de 10-16 hasta 105 metros. En el extremo de las frecuencias más altas (onda corta) de mayor energía están los rayos cósmicos (emitidos durante reacciones nucleares).

• Espectro visible.

El espectro visible es la porción del espectro electromagnético percibida por el ojo humano, y comprende las emisiones radiantes de longitud de onda desde los 380

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nm hasta los 780 nm puede variar según la bibliografía utilizada). La luz blanca percibida es una mezcla de todas las longitudes de onda visibles.

3.1.2 Velocidad de la Luz.

Durante mucho tiempo se pensó que la velocidad de la luz era infinita. Galileo supuso que la velocidad de la luz era finita pero muy elevada e intentó medirla con observadores con focos luminosos pero fracaso porque la velocidad de reacción de estos era muy inferior a la de la luz. La velocidad de la luz fue calculada por primera vez por Olaf Rõmer (1675) y posteriormente por Fizeau (1849) En la actualidad, se ha determinado que el valor para c = 2, 9979.

En 1865 Maxwell expone su teoría del campo electromagnético. En el expone que:

• Un campo magnético variable con el tiempo induce un campo eléctrico proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético y perpendicular a él.

• Un campo eléctrico variable con el tiempo induce un campo magnético proporcional a la rapidez con la que cambia el flujo eléctrico y perpendicular a él.

• Una carga eléctrica que posee un movimiento acelerado crea una perturbación electromagnética.

El flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga neta contenida, dividido por la cte. dieléctrica del vacío. El flujo del campo magnético a través de una superficie cerrada es 0. El flujo del campo magnético Se define onda electromagnética como la perturbación periódica de los campos eléctrico y magnético asociados, que se propaga por el espacio. Son transversales y no necesitan ningún soporte material para propagarse.

Características: • Son originadas por cargas eléctricas aceleradas • Consisten en la variación periódica del estado electromagnético del

espacio. Un campo eléctrico variable produce un campo magnético variable, este a su vez origina un campo eléctrico y así ambos se propagan en el espacio. E Y B son perpendiculares entre sí y con la dirección de propagación y están en fase.

• No necesitan soporte material para propagarse • Los vectores E Y B varía sinusoidalmente en el tiempo y la posición , con la

ecuación de las ondas armónicas: E = El flujo del campo eléctrico B = El flujo del campo magnético Representación de la onda electromagnética al propagarse en una dirección

• Sabemos que E = cB. Por tanto en este caso E/B = c • c puede expresarse como c = 1 / v (eo µo), donde eo = cte dieléctrica del

vacío = 9

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• •10-12 C²/Nm² y µ0 permeabilidad magnética del vacío 4p• •10-7 Tm / A Podemos resumir diciendo que las ondas electromagnéticas

son ondas transversales que se propagan en el vacío a la velocidad de la luz. Esta velocidad es independiente de la longitud de onda.

3.1.3 Reflexión y Refracción.

Al igual que la reflexión de las ondas sonoras, la reflexión luminosa es un fenómeno en virtud del cual la luz al incidir sobre la superficie de los cuerpos cambia de dirección, invirtiéndose el sentido de su propagación. En cierto modo se podría comparar con el rebote que sufre una bola de billar cuando es lanzada contra una de las bandas de la mesa.

La visión de los objetos se lleva a cabo precisamente gracias al fenómeno de la reflexión. Un objeto cualquiera, a menos que no sea una fuente en sí mismo, permanecerá invisible en tanto no sea iluminado. Los rayos luminosos que provienen de la fuente se reflejan en la superficie del objeto y revelan al observador los detalles de su forma y su tamaño.

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.

No obstante, este fenómeno sólo tiene lugar si la onda tropieza en forma oblicua sobre la superficie de los dos cuerpos en cuestión y si sus índices de refracción son diferentes. Es el cambio de velocidad de la onda lo que facilita el fenómeno. La desviación de la dirección de propagación del rayo se justifica por medio de la ley de Snell.

3.1.4 Fibra óptica.

Una fibra óptica es compuesta básicamente de material dieléctrico (en general sílice), según una larga estructura cilíndrica, transparente y flexible, de dimensiones microscópicas, comparables a las de un cabello humano. La estructura cilíndrica básica de la fibra óptica es formada por una región central llamada núcleo, envuelta por una capa, también de material dieléctrico que se llama chaqueta.

La composición de la chaqueta de la fibra óptica, con material de índice de refracción ligeramente inferior al del núcleo, ofrece condiciones para la

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propagación de energía luminosa a través del núcleo de la fibra, en un proceso de reflexión interna total. Las principales ventajas de la fibra óptica son:

• Permitir altísimas tasas de transmisión, en el orden de Gbps (billones de bits por segundo).

• La tasa de transmisión depende de los equipos posean total inmunidad a interferencias electromagnéticas externas, proporcionando distancias máximas permitidas mayores que en los cables metálicos, pudiendo emplearlas en lugares con gran nivel de ruido.

• Por ser aislante, es el medio más indicado para interconectar edificios y sistemas con distintos aterramientos, lo que elimina el problema de la conducción eléctrica entre potenciales distintos.

• Elimina también el problema de la conducción de descargas de la atmosfera en el cable.

3.1.5 Espejos.

Un espejo (del lat. specullum) es una superficie pulida en la que al incidir la luz, se refleja siguiendo las leyes de la reflexión. El ejemplo más sencillo es el espejo plano. En este último, un haz de rayos de luz paralelos puede cambiar de dirección completamente en conjunto y continuar siendo un haz de rayos paralelos, pudiendo producir así una imagen virtual de un objeto con el mismo tamaño y forma que el real.

La imagen resulta derecha pero invertida en el eje normal al espejo. También existen espejos curvos que pueden ser cóncavos o convexos. En un espejo cóncavo cuya superficie forma un paraboloide de revolución, todos los rayos que inciden paralelos al eje del espejo, se reflejan pasando por el foco, y los que inciden pasando por el foco, se reflejan paralelos al eje.

Los espejos son objetos que reflejan casi toda la luz que choca contra su superficie debido a este fenómeno podemos observar nuestra imagen en ellos.

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3.1.6 Lentes.

Las lentes son objetos transparentes (normalmente de vidrio), limitados por dos superficies, de las que al menos una es curva. Las lentes más comunes están basadas en el distinto grado de refracción que experimentan los rayos al incidir en puntos diferentes del lente.

Entre ellas están las utilizadas para corregir los problemas de visión en gafas, anteojos o lentillas.

También se usan lentes, o combinaciones de lentes y espejos, en telescopios y microscopios. El primer telescopio astronómico fue construido por Galileo Galilei usando una lente convergente (lente positiva) como objetivo y otra divergente (lente negativa) como ocular. Existen también instrumentos capaces de hacer converger o divergir otros tipos de ondas electromagnéticas y a los que se les denomina también lentes. Por ejemplo, en los microscopios electrónicos las lentes son de carácter magnético.

En astrofísica es posible observar fenómenos de lentes gravitatorias, cuando la luz procedente de objetos muy lejanos pasa cerca de objetos masivos, y se curva en su trayectoria.

3.1.7 El telescopio.

Los telescopios convencionales, han permitido al ser humano alcanzar un destacado conocimiento del firmamento y con sus mejoras los astrónomos han podido adentrarse más y más en la historia del Cosmos, como si de arqueólogos espaciales se tratara.

Conocer cómo funciona un telescopio nos permitirá explicar ese mecanismo mágico de ver allí donde no llega nuestro ojo así como saber que telescopio nos puede ser más útil dependiendo del tipo de observación que deseemos realizar y (más importante aún) del dinero que tengamos en nuestro bolsillo. El telescopio es la herramienta básica de la observación astronómica de luz visible. Existen otros tipos de telescopios que se encargan de recoger la radiación infrarroja, las de alta energía (como gamma o X) y otros que descomponen el espectro visible para analizar entre otras cosas los componentes químicos de un objeto lejano que emite luz.

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El telescopio convencional actual, se basa en los desarrollos que realizo Galileo mejorando una serie de modelos holandeses existentes ya años antes de que el magnífico científico italiano tuviera conocimiento de ellos. Hacia mayo de 1609, Galileo, es contactado por un colega francés que le informa sobre los nuevos aparatos y emprende la construcción de su propio telescopio.

A diferencia de los holandeses, Galileo, construyó uno que no deformaba los objetos y que los aumenta 6 veces, el doble que los primeros. El genio italiano consiguió ser también el único en su época en obtener imágenes que se vean derechas a través del uso de una lente especial en el ocular.

Aunque los principios básicos del telescopio siguen siendo los mismos que los del primer telescopio de Galileo, desde entonces se han ido introduciendo numerosas mejoras. A Galileo, el telescopio le cambió su vida y también a todos los seres humanos que llegaron después, lo conocieran o no. Actualmente existen dos tipos principales de telescopios, denominados refractores y reflectores. En ambos la luz penetra y al encontrarse con el primero de los vidrios, la luz se refracta continuando su camino pero con una dirección de propagación diferente. Los telescopios refractores se componen principalmente de dos partes. El objetivo y el ocular.

El primero de ellos es una lente o más bien, una combinación de lentes siempre convergentes y de gran diámetro. Estos telescopios recogen la luz de objetos lejanos y la hacen converger en un punto interno del telescopio denominado plano focal y desde allí mediante otra lente se forma la imagen del objeto al que este apuntando el aparato. Los oculares del telescopio se encargaran de establecer el tamaño final con el que visualizaremos dicho objeto. En este punto es importante destacar el concepto de distancia focal, que es la distancia existente entre el objetivo y el plano focal.

Si miráramos directamente la imagen que se forma en el plano focal del objetivo, veríamos una imagen al revés debido al uso de una lente convergente. Este problema lo solucionó Galileo empleado una ocular que montara una lente divergente. El telescopio de Galileo permitió obtener imágenes derechas, no invertidas, pero ciertos inconvenientes que se fueron detectando al descubrirse e introducirse mejoras, llevaron al progresivo desuso de este tipo de telescopios.

En la actualidad, los telescopios refractores astronómicos utilizan oculares convergentes a diferencia del divergente utilizado por Galileo. Este tipo de telescopio fue analizado y descrito por Kepler y proporciona imágenes invertidas, de mayor calidad que las del telescopio de Galileo. Por otro lado, los telescopios reflectores utilizan espejos cóncavos. En el momento en el que la luz entra por el objetivo y llega a uno de estos espejos, la luz no se refracta (se dispersa), sino

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que se refleja, es decir no se adentra en el espejo y continua su propagación en dirección opuesta. A este fenómeno se le conoce como reflexión y al igual que en los telescopios refractores, la distancia desde la superficie del espejo cóncavo al plano focal donde se concentra la luz de una zona hacia donde apuntemos, se denomina distancia focal.

Un ocular también se encargara, en este caso, de captar la imagen formada en el plano. Pero debido a que la luz en los telescopios reflectores no continúa atravesando la lente sino que rebota y continúa en sentido opuesto al sentido de incidencia, el ocular y la cabeza del observador cubrirían el objetivo si se quisiese acceder al plano focal de forma directa. Para conseguir poder ver lo que la luz reflejada contiene, se desvía este haz de luz convergente hacia un punto donde pueda ser recogida y adaptada por el ocular sin obstaculizar la observación.

Esta es la explicación más básica de la forma en que se recoge la luz y se adapta al observador para que este la pueda ver.

Sin embargo, la mayoría de grandes marcas de telescopios poseen una forma distinta de implementar este proceso y cada diseño diferente de telescopio reflector define unos criterios concretos para obtener la luz de un objeto lejano y reproducirla favoreciendo así unas determinadas características y ventajas pero también obteniéndose bajas prestaciones en otros aspectos de la observación. De ahí que no existen el telescopio “perfecto” para todo, sino más bien un diseño de telescopio para cada circunstancia concreta.

Los dos principales telescopios reflectores que existen actualmente son el reflector de Newton y el reflector de Cassegrain. El diseño de Newton es mucho más sencillo y obtiene las imágenes interponiendo un espejo secundario plano que lleva la luz hacia un ocular situado en la parte delantera del tubo del telescopio. El Cassegrain implementa un diseño más complejo y es que se necesita un espejo secundario convexo y que el espejo principal posea un orificio en el centro por donde la luz pasa en dirección al ocular.

Los telescopios reflectores han de ser periódicamente revisados y ser realuminizados debido a que se utiliza material reflectante (una fina capa de aluminio) depositándolo sobre la superficie visible del objetivo. Gracias a este material, los espejos astronómicos impiden que la luz entre en la masa del espejo, evitándose así absorciones, reflexiones internas y aberraciones cromáticas. Pero al estar este material reflectante a la intemperie y siendo como es muy sensible incluso por la oxidación de la atmósfera, sea hace necesario realuminizarlos, siendo en los observatorios profesionales, una operación que se sucede entre uno o dos años.

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Los telescopios para aficionados suelen tener periodos más largos, de hasta cinco años o más dependiendo en buena medida del clima en que sean utilizados.

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3.2 Estudio y aplicaciones de emisión láser.Un láser (de la sigla inglesa light amplification by stimulated emission of radiation, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherente de un medio adecuado y con el tamaño, la forma y la pureza controlados:

Medicina: operaciones sin sangre, tratamientos quirúrgicos, ayudas a la cicatrización de heridas, tratamientos de piedras en el riñón, operaciones de vista, operaciones odontológicas.

Industria: cortado, guiado de maquinaria y robots de fabricación, mediciones de distancias precisas mediante láser.

Defensa: Guiado de misiles balísticos, alternativa al radar, cegando a las tropas enemigas. En el caso del Tactical High Energy Laser se está empezando a usar el láser como destructor de blancos.

Ingeniería civil: guiado de máquinas tuneladoras en túneles, diferentes aplicaciones en la topografía como mediciones de distancias en lugares inaccesibles o realización de un modelo digital del terreno (MDT).

Arquitectura: catalogación de patrimonio.

Arqueológico: documentación.

Investigación: espectroscopia, interferometría láser, LIDAR, distanciometría.

Desarrollos en productos comerciales: impresoras láser, CD, ratones ópticos, lectores de código de barras, punteros láser, termómetros, hologramas, aplicaciones en iluminación de espectáculos.

Tratamientos cosméticos y cirugía estética: tratamientos de Acné, celulitis, tratamiento de las estrías, depilación.

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Conclusión.El simple hecho de que un objeto se vea como cotidiano no significa que múltiples factores físicos, matemáticos, entre otros interactúen con esos objetos, uno no supone que con simples cálculos uno pueda conocer la imagen formada de la reflexión en el espejo, aun sin tener un espejo a mano.

Conocer el concepto de la luz y su manera de interactuar con el mundo pero con una perspectiva objetiva viendo como interfiere las matemáticas en algo como la luz es un aprendizaje único.

Al fin y al cabo la óptica ha sido un estudio que le ha permitido al ser humano superar límites que antes había difíciles de alcanzar, aunque eso no significa que la investigación en este campo se haya detenido.

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Bibliografía:

https://prezi.com/lwj_fs9wvpmx/311-concepto-de-luz/ http://www.educaplus.org/luz/velocidad_luz.html http://yari944.galeon.com/ http://fisicagenral.blogspot.mx/p/optica.html http://itpn.mx/recursosisc/3semestre/fisicageneral/Unidad

%20III.pdf http://uaim.edu.mx/carreras/sistemas%20computacionales/Cuarto

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temario2010/3semestre/O%20ISIC-2010-224%20Fisica%20General.pdf