LA LUZ

1. Naturaleza de la luz1. Ondas electromagnéticas2. Propagación rectilínea de la luz3. Velocidad de propagación

2. Fenómenos luminosos1. Reflexión y refracción2. Dispersión3. Absorción4. Interferencia y difracción5. Polarización

Teoría corpuscular de Newton• Supone que la luz está

formada por partículas materiales, que llamó corpúsculos que son lanzados gran velocidad por los cuerpos emisores de luz.

• Permite explicar fenómenos como– La propagación rectilínea de la

luz en el medio, – La reflexión– La refracción

• Newton supuso que los corpúsculos eran muy pequeños en comparación con la materia y que se propagan sin rozamiento por el medio.

• Con esta teoría no podían abordarse fenómenos como la difracción de la luz.

Teoría ondulatoria de Huygens

• Huygens propuso que la luz consiste en la propagación de una perturbación ondulatoria del medio. Creía que eran ondas longitudinales similares a las sonoras.

• Se sabía que la luz puede propagarse en el vacío. Se inventa un medio muy sutil y de perfecta elasticidad que permita dicha propagación. Se le llama éter.

• Explicaba fácilmente fenómenos como reflexión y la refracción.

• Contra esta teoría se argumentaba que si era una onda debía haber fenómenos de difracción e interferencia que no se habían encontrado porque su longitud de onda es muy pequeña.

Teoría ondulatoria de Fresnel

• En el siglo XVIII, Thomas Young descubre experimentalmente la existencia de interferencias en la luz.

• Fresnel consigue explicar apoyándose en la teoría ondulatoria la difracción de la luz y su propagación rectilínea: Fresnel propone a la vista de estos descubrimientos que la luz está constituida por ondas transversales.

• En 1850, Foucault mide la velocidad de la luz en el agua, y comprueba que es menor que en el aire.

Teoría electromagnética de Maxwell

• Propone que la luz no es una onda mecánica sino una onda electromagnética de alta frecuencia. 

• Las ondas electromagnéticas consisten en la propagación de un campo eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación.

• No hay necesidad de soporte material para la propagación de la luz.

Naturaleza corpuscular de la luz según Einstein.

• El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones con cierta energía cinética al incidir la luz de una determinada frecuencia sobre una superficie metálica. Se comprobó que un aumento de la intensidad luminosa incidente no suponía un aumento en la energía cinética de los electrones emitidos.

• Einstein propone en 1905 que la luz esta formada por un haz de pequeños corpúsculos que llamó cuantos de energía o fotones. La energía de la onda está concentrada en los fotones, no está distribuida por toda ella. sJh

fhE

.10625,6 34

La energía de cada uno de los fotones es proporcional a la frecuencia de la luz

Naturaleza dual de la luz

• En la actualidad se sostiene que la luz tiene una doble naturaleza, corpuscular y ondulatoria

• Se propaga mediante ondas electromagnéticas y presenta fenómenos típicamente ondulatorios, pero en su interacción con la materia en ciertos fenómenos de intercambio de energía tiene carácter corpuscular

Ondas electromagnéticas

• Las ondas electromagnéticas están formadas por un campo magnético y por un campo eléctrico, perpendiculares entre sí y perpendiculares a su vez a la dirección de propagación.

• Se propagan a la velocidad de la luz.

• Son originadas por cargas eléctricas aceleradas.

fccB

Ec

00

1

18103 msc en el vacío

Espectro electromagnético

Es la secuencia de todas las ondas electromagnéticas conocidas, ordenadas según su longitud de onda o su frecuencia.

El espectro visible

• La banda del espectro electromagnético que el ojo humano es capaz de ver se llama espectro visible.

• Abarca las longitudes de onda entre 400 y 700 nm

Propagación rectilínea de la luz

Refracción de la luz

• La velocidad de la luz en el vacío es mayor que en los medios materiales.

• La frecuencia es la misma, pero no la longitud de onda

r

in

v

v

n

n

v

cn

sin

sin21

2

1

1

2

Ángulo límite y refracción total

• Se produce cuando la luz pasa de un medio a otro de menor índice de refracción.

• El ángulo límite L es el ángulo de imcidencia al que corresponde un ángulo de refracción de 90º

21sin nL

Reflexión total si i>L

Óptica geométrica: conceptos básicos

• Imagen real de un objeto: se forma por intersección de los rayos convergentes tras atravesar el sistema óptico.

• Imagen virtual: Se forma por intersección de las prolongaciones de los rayos divergentes tras atravesar el sistema óptico

• Imagen de un objeto extenso: Formada por las imágenes puntuales de cada uno de los puntos del objeto.

• Espejo: toda superficie lisa y pulida capaz de reflejar los rayos luminosos.

Elementos de un espejo esférico

• Eje óptico• Foco objeto, F1

• Foco imagen, F2

• Centro de curvatura, C

• Polo o vértice, O• Distancia focal, f

Formación de imágenes en el espejo esférico

Si el objeto se situa sobre el foco, no se forma imagen, pues los rayos reflejados son paralelos y no se cortan

Espejo convexo

Los rayos reflejados (que son los que transportan la energía) no convergen en ningún punto, rebotan en el espejo y divergen, por lo tanto  no pueden  formar una imagen sobre una pantalla.Prolongando esos rayos por detrás del espejo podemos saber donde se forma la imagen virtual

Ecuaciones de los espejos esféricos

La posición de los focos objeto e imagen coinciden y se encuentra en el punto medio entre C y O

Ecuación fundamental del espejo esférico

Aumento lateral o relación entre tamaños de imagen y objeto

1 2

rff f

2

2 1

1 1 1s s f

2 2L

1 1

y sA

y s

Formación de imágenes en el espejo plano

A1

i

i

B1

ObjetoImagen

A1

B1

A2

B2

s1 s2

112

LA

ss

Dioptrios

R

nn

s

n

s

n 12

1

1

2

2

Un dioptrio es el sistema óptico formado por una sola superficie que separa dos medios de distinto índice de refracción

ECUACIÓN FUNDAMENTAL DEL DIOPTRIO

Para obtener la imagen de un objeto basta trazar dos rayos, uno que incide paralelamente al eje óptico y se refracta pasando por el foco imagen y otro que pasa por el centro de curvatura que no se desvía al ser perpendicular (normal) a la superficie. En el punto de corte se forma la imagen real.

Dioptrio plano

1

1

2

212

1

1

2

2

s

n

s

nnn

s

n

s

n

El dioptrio plano puede considerarse como uno esférico de radio infinito

LentesSon sistemas ópticos formados por un medio transparente de índice de refracción diferente al exterior y que limita mediante dos superficies o dioptrios, uno esférico y otro plano o esférico

LENTES CONVERGENTES LENTES DIVERGENTES

Elementos de una lente delgada

OF1C F2C’

f1 f2

Eje óptico

Si en ambos lados de la imagen está el mismo medio material f1=‒f2

Formación de imágenes en lentes delgadas convergentes

F1 F2F1 F2F1 F2F1 F2F1

F2F1 F2F1

Formación de imágenes en lentes delgadas divergentes

F2F1

En las lentes divergentes, la imagen es siempre virtual, derecha y de menor tamaño que el objeto.

Ecuaciones de las lentes delgadas

2112

11)1(

11

rrn

ss 12122

1111)1(

1

ssrrn

f

21 ff

Ecuación fundamental de las lentes delgadas

1

2

1

2

s

s

y

yAL

Ecuación del fabricante de lentes

Distancias focales

Aumento lateral

fP

1

Potencia en dioptrías

Dispersión• Si un haz de rayos de luz

de distintas longitudes de onda incide sobre un material refractante, cada radiación simple se desviará un ángulo diferente.

• Las distintas radiaciones que componen la luz blanca se refractan con ángulos diferentes y forman una sucesión continua de colores: el espectro de la luz blanca.

Absorción

• Los cuerpos retienen parte de la energía luminosa que reciben cuando son iluminados.

• Este fenómeno es responsable de la percepción del color

Interferencia

En 1801, Thomas Young demostró que la luz sufre fenómenos de interferencia, igual que cualquier otra onda. (Experimento de la doble rendija)

La interferencia es constructiva cuando las ondas están en fase (r’-r=nλ)

Es destructiva si están en oposición de fase (r’-r=(2n+1)½λ)

Difracción• Se produce refracción

cuando las ondas luminosas son interceptadas por un obstáculo de dimensiones iguales o inferiores a la longitud de onda.

dn sin α

Polarización

Efecto de un polarizador sobre la reflexión en el fango. En la imagen de la izquierda, el polarizador está girado para transmitir las reflexiones. Al girar el polarizador 90º (imagen de la derecha) casi toda la luz del sol reflejada es bloqueada.