La Óptica

La Óptica es una rama de la Física que se ocupa de la propagación y el

comportamiento de la luz. En un sentido amplio, la luz es la zona del espectro de

radiación electromagnética que se extiende desde los rayos X hasta las

microondas, e incluye la energía radiante que produce la sensación de visión. El

estudio de la óptica se divide en dos ramas, la óptica geométrica y la óptica física

(Biblioteca de Consulta Microsoft ® Encarta ® 2005).

Óptica Geométrica

La óptica geométrica usa la noción de rayo luminoso, viene siendo una

aproximación del comportamiento de las ondas electromagnéticas, cuando los

objetos involucrados son de tamaño mucho mayor que la longitud de onda usada,

ello permite despreciar los efectos derivados de la difracción, comportamiento

ligado a la naturaleza ondulatoria de la luz.

Brett y Suárez (2004) definen la óptica geométrica de la siguiente manera:“La

óptica geométrica, es la parte de la óptica en la cual se estudian las leyes de la

propagación de la energía luminosa en medios transparentes sobre la base de la

representación del rayo luminoso” (p.303)

Óptica Física.

Es la rama de la óptica que toma la luz como una onda y explica algunos

fenómenos que no se podrían explicar tomando la luz como un rayo. Estos

fenómenos son: polarización, difracción e interferencia.

En cuanto a la interferencia y la difracción, este fenómeno es observado

cuando dos haces de luz que se cruzan pueden interferir, lo que afecta a la

distribución de intensidades resultante. La coherencia de dos haces expresa hasta

qué punto están en fase sus ondas. Si la relación de fase cambia de forma rápida

y aleatoria, los haces son incoherentes. La difracción, por su parte, es un

fenómeno del movimiento ondulatorio en el que una onda de cualquier tipo se

extiende después de pasar junto al borde de un objeto sólido o atravesar una

rendija estrecha, en lugar de seguir avanzando en línea recta. La expansión de la

luz por la difracción produce una borrosidad que limita la capacidad de aumento

útil de un microscopio o telescopio; por ejemplo, los detalles menores de media

milésima de milímetro no pueden verse en la mayoría de los microscopios ópticos.

(Biblioteca de Consulta Microsoft ® Encarta ® 2005).

Naturaleza de la Luz

Buena parte de la controversia sobre la naturaleza de la luz entre los

seguidores de la Teoría Corpuscular, como Isaac Newton, y de la Teoría

Ondulatoria, como Christian Huygens y Robert Hooke, se basó en las distintas

interpretaciones sobre la manera cómo la luz se mueve y progresa a través de

distintos materiales, cómo es afectada en su trayectoria al pasar de un medio a

otro y, sobretodo, cuál es la naturaleza de la interacción que se produce en la

frontera entre dos medios.

Newton supuso que estaba formada por pequeños corpúsculos que salían de

un cuerpo luminoso y que al herir el ojo permitían la observación de los objetos de

donde habían partido. De esta manera explicaba el comportamiento de la luz al

pasar de un medio transparente a otro, como por ejemplo del agua al aire, o al

reflejarse en los espejos en estos casos, el rayo de luz se quiebra y se desvía de

su dirección inicial.(Alberto Maiztegui y Jorge Sábato 1972 )

Enoc Sánchez (2005) describe lo siguiente: “Isaac Newton, quien desarrollo

una teoría corpuscular, cuya idea básica es que la luz emitida por una fuente,

consiste en corriente de corpúsculos que se desplazan en trayectorias rectilíneas

en todas las direcciones de la fuente”. (p.168)

La propagación de la luz se describe mejor con el modelo ondulatorio, pero

para comprender la emisión y la absorción se requiere un enfoque corpuscular.

Huygens en 1670 propuso una teoría de ondas para la luz, la cual se basa en

que la luz no es más que una propagación de ondas defiende un modelo

ondulatorio, la luz es una onda. Con este modelo se explicaban fenómenos como

la interferencia y difracción que el modelo corpuscular no era capaz de explicar.

Así la luz era una onda longitudinal, pero las ondas longitudinales necesitan un

medio para poder propagarse. (Camero y Crespo 2001).

Albert Einstein (1879-1955) proponía la teoría de los cuantos de luz

(actualmente denominados fotones), en la que explicaba que los sistemas físicos

podían tener tanto propiedades ondulatorias como corpusculares. De esta manera,

la naturaleza de la luz que se podría definir de la siguiente manera: La luz se

comporta como una onda electromagnética en todo lo referente a su propagación,

sin embargo se comporta como un haz de partículas (fotones) cuando interacciona

con la materia. (Santillana 2011).

Propagación de la Luz

La luz está formada por pequeñas partículas llamadas fotones que viajan a

gran velocidad, se propagan en ondas lumínicas, que viajan en línea recta,

llamada haz de luz. Y se caracteriza por lapropagación en línea recta, reflexión de

la luz, refracción de la luz. Camero y Crespo(2001) definen lo siguiente:

Algunas propiedades de la luz pueden estudiarse desde el punto de vista del modelo de rayos, el cual consiste en admitir que la luz se propaga en línea recta en un medio homogéneo, siendo los rayos de luz

líneas rectas imaginarias que parten de la fuente luminosa y se dirigen a todos los puntos del espacio.(p. 168).

La luz se propaga en línea recta. Por eso la luz deja de verse cuando se

interpone un cuerpo entre el recorrido de la luz y la fuente luminosa.

Cuando se coloca una fuente luminosa en el centro de una habitación, se

observa que la luz es capaz de iluminar a todos los objetos opacos. Las sombras

proyectadas por estos objetos, se deben a que la luz se propaga en línea recta y

los espacios detrás de los objetos opacos son inaccesibles a ella. Por otra parte se

tiene, que cuando una fuente de luz ilumina una pantalla y se interpone entre esta

y la fuente un objeto opaco, se proyectara su silueta en la pantalla, dicha silueta es

una zona de sombra. Algunas sombras que se forman tienen en borde

desvanecido, es decir, existe una sombra intermedia entre la sombra y la claridad

total, que es a la que se llama penumbra. Brett y Suárez (2004) definen lo

siguiente: “La sombra de un cuerpo opaco es la zona totalmente privada de luz

detrás del objeto y limitada por los rayos tangentes que, partiendo de un punto

luminoso, bordean el objeto opaco”. (p.300), por otro lado estos autores

mencionan que “La penumbra es la zona parcialmente iluminada que bordea a la

sombra producida por un objeto opaco al ser alumbrado por un objeto luminoso”.

(p.301).

Reflexión de la Luz

La reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimentan los rayos de

luz al llegar a una superficie esto ocurre cuando los fotones de luz chocan contra

cualquier superficie de los cuerpos que no los absorben. Esta propiedad es muy

notoria en las superficies pulidas y lisas, como los espejos, la superficie del agua

en reposo y el piso brillante. La reflexión puede ser: difusa y especular. (Camero y

Crespo 2001)

La reflexión difusa es el fenómeno que ocurre cuando un rayo de luz incide

sobre una superficie rugosa y después del choque los rayos no continúan siendo

paralelos sino que se reflejan en todas las direcciones. La reflexión especular o

regular es que tiene lugar en las superficies lisas como los espejos, en donde un

haz de rayos paralelos después de chocar con la superficie y al ser reflejados

continúan siendo paralelos. Para Brett y Suárez (2004) la reflexión consta de una

serie de elementos y leyes como se muestran en los siguientes esquemas:

Fig. 1 Elementos de la Reflexión

Leyes de la Reflexión

El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en un mismo plano,

perpendicular al espejo, llamado plano de reflexión.

El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

La reflexión total interna es el fenómeno que ocurre cuando la luz incide sobre

la superficie de contacto de dos materiales transparentes a un ángulo muy

cerrado. La luz tiene que estar pasando a través de un medio con un índice de

refracción mayor que el del medio contiguo. Para que este hecho ocurra se deben

cumplir las condiciones siguientes: que la luz se traslade de un medio más denso

a otro menos denso y que el ángulo de incidencia sea superior al ángulo límite.

Brett y Suárez (2004)

Para Camero y Crespo (2001) la reflexión total tiene las siguientes

aplicaciones:

Espejismos

Es un fenómeno de la reflexión total. El sol, al calentar las capas de aire que

están en contacto con el suelo, produce capas de aire de diferentes densidades,

las más próximas al suelo se calientan más que las más alejadas. Luego, un rayo

que proveniente de las capas más alejadas pasa de un medio más denso a otro

Fig. 2 Leyes de la Reflexión

menos denso. Un rayo de luz, va incidiendo con ángulo cada vez mayor, por

sucesivas refracciones, hasta alcanzar el ángulo limite y, a partir de entonces, se

produce la reflexión total.

El prisma de reflexión total

Es un prisma que tiene un índice de refracción tal que le corresponde un

ángulo límite de 42º, de manera que todo rayo que incida con un ángulo mayor se

reflejara totalmente. Estos prismas son excelentes reflectores y se emplean en

instrumentos ópticos donde se desee cambiar la dirección de los rayos tales como:

periscopios, prismáticos, fotómetros.

Las fuentes luminosas

En esta se explica el hecho de que en un chorro de agua se vea iluminado,

como ocurre en las fuentes luminosas, aquí se mantiene aprisionada la luz, porque

los rayos inciden en la superficie interior de los chorros con ángulos superiores al

ángulo limite.

Refracción

Es otra propiedad de la luz que consiste en la desviación que experimentan los

rayos luminosos al atravesar medios de diferentes densidades. La luz viaja a

Fig. 3 Espejismo

velocidades diferentes en medios, es por ello que cuando la luz al atravesar los

medios cambia su dirección.

La refracción consta de una serie de elementos presentados a continuación

(Brett y Suárez 2004)

Para Brett y Suárez (2004) las leyes de refracción son:

Primera Ley: el rayo incidente, el rayo refractado y la normal se encuentran

todos en el mismo plano.

Fig. 4 Refracción

Fig. 8 Elementos de la Refracción

Fig. 5 Elementos de la Refracción

Segunda ley: conocida como Ley de Snell, el cociente entre el seno del

ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es constante y se llama

índice de refracción de la segunda sustancia con respecto a la primera. (p.316).

Dispersión

La luz blanca ordinaria es una superposición de ondas con longitudes que se

extienden a través de todo el espectro visible. La rapidez de la luz en el vacío es la

misma para todas las longitudes de onda, pero la rapidez en una sustancia

material es diferente para distintas longitudes de onda. En consecuencia, el índice

de refracción de un material depende de la longitud de onda.

Al incidir un rayo de luz blanca en un prisma esta se descompone en forma de

arco iris formando una serie de colores en el siguiente orden: rojo, anaranjado,

amarillo, verde, azul, índigo, violeta, esta descomposición para cada color se debe

a que el ángulo de refracción es diferente para cada uno y a esto es lo que se

llama dispersión. (Brett y Suárez 2004).

Espejos

Son superficies reflectoras que pueden ser planas o esféricas, un espejo plano

es toda superficie pulimentada destinada a dar imágenes por reflexión. Brett y

Suárez (2004)

Imágenes En Espejos Planos

Si delante de un espejo plano colocamos un objeto, la imagen de un punto de

dicho objeto se forma de la siguiente manera:

De los infinitos rayos que parten de un punto se toman dos cualesquiera, que

inciden sobre el espejo, estos rayos se reflejan siguiendo las leyes de reflexión. Si

estos rayos al llegar al ojo de un observador, este los percibe como si procedieran

de un punto. En consecuencia, el observador ve la imagen del punto en la

prolongación de los rayos que le llegan. La imagen del punto es una imagen

virtual. (Camero y Crespo 2001).

Características de Imágenes en Espejos Planos

La imagen es virtual la cual forma con la prolongación de los rayos

reflejados.

Es del mismo tamaño que el objeto.

Es derecha es decir que lo que aparece en la parte superior del objeto

también aparece en la parte superior de la imagen.

El objeto y la imagen la izquierda y la derecha aparecen intercambiadas,

por ejemplo, si vemos la mano derecha se reflejara como si fuera la mano

izquierda.

La imagen es simétrica del objeto respecto al espejo. Esto quiere decir, que

la distancia del objeto al espejo es la misma que existe entre la imagen y el

espejo.

Espejos esféricos

Los espejos esféricos son casquetes de superficies esféricas regularmente

reflectoras. De acuerdo con la cara del casquete por donde incida la luz, el espejo

puede ser cóncavo o convexo. En un espejo cóncavo la superficie reflectora es la

parte interior de la superficie esférica, mientras que uno convexo, la luz incide por

la parte externa de la superficie esférica. (Santillana 2011).

Fig. 6 Espejo cóncavo y convexo

Lentes

Las lentes son medios materiales transparentes, como el vidrio o el plástico,

cuyas superficies pueden ser curvas, planas o una combinación de las dos. Por su

forma, las lentes pueden ser esféricas si pertenecen a una porción de esfera, o

cilíndricas, si esas superficies son una porción de cilindro. Sin embargo, es más

frecuente clasificarlas como convergentes y divergentes. (Santillana 2011).

Lentes convergentes:

Una lente es convergente si al incidir en ella rayos de luz paralelos, los reemite

de tal forma que convergen en un mismo punto. Estas lentes son más gruesas en

el centro que en los extremos. En la siguiente figura, se muestran las diferentes

formas de lentes convergentes.

Lentes divergentes

Una lente es divergente si al incidir en ella rayos de luz paralelos, los reemite de

tal forma que divergen completamente, como si provinieran de un mismo punto.

Estas lentes son angostas en el centro y más gruesas en los extremos. A

continuación se representan diferentes formas de lentes divergentes.

Fig. 7 Lentes convergentes

Fig. 8 Lentes divergentes

Instrumentos Ópticos

Un instrumento óptico sirve para procesar ondas de luz con el fin de mejorar

una imagen para su visualización, están constituidos por diversas clases de lentes,

prismas y/o espejos, que aprovechan las propiedades de la luz. Y se clasifican de

acuerdo con la imagen producida, ya sea real o virtual. Los instrumentos que

forman imágenes reales se denominan objetivos o de proyección y no necesitan

del ojo humano para observar la imagen del objeto, como lo son: la cámara

fotográfica, proyectores de cine, de diapositivas, de vídeo, el retroproyector y los

instrumentos que forman imágenes virtuales se denominan subjetivos o de

observación y necesitan del ojo humano para observar la imagen del objeto, como

lo son la lupa, el microscopio o el telescopio. Roca y Corominas (1996).

El ojo se puede considerar como un instrumento óptico que produce una

imagen real sobre la retina.

El ojo humano

El ojo es el órgano receptor responsable de la función de la visión. Los rayos

luminosos provenientes del objeto atraviesan la córnea, donde sufren la primera

refracción. Detrás de la córnea existe un líquido llamado humor acuoso en el cual

los rayos luminosos experimentan una difracción. La cantidad de luz que ingresa

al ojo es regulada por el iris que rodea la pupila y le da el color característico al

ojo.

Las ondas luminosas atraviesan el cristalino, cuya estructura elástica y

transparente actúa como una lente convergente. Los rayos de luz vuelven a

refractarse al atravesar el humor vítreo, una sustancia gelatinosa que ocupa la

parte interna del globo ocular, para llegar finalmente a la retina, la cual se

comporta como una pantalla para los rayos luminosos. Allí se forma una imagen

real, menor e invertida, de lo que se ve, luego el nervio óptico envía un estímulo al

cerebro que interpreta la imagen.(Santillana 2011)

En la siguiente figura, se muestran los elementos que componen el ojo

La Cámara Fotográfica

Una cámara fotográfica es una caja hermética a la luz que usa una lente o una

combinación de lentes para formar una imagen real e invertida sobre una película

sensible a la luz. La luz de esta imagen afecta las sustancias químicas de la

película, de tal modo, que la imagen queda registrada permanentemente. En la

siguiente figura se representa la formación de una imagen por una cámara

fotográfica. La cámara tiene un obturador que deja pasar la luz a través de la lente

por un tiempo muy corto. Para que la fotografía sea de mejor calidad se deben

controlar tres aspectos: la rapidez del obturador, el grado de abertura del

diafragma y el enfoque.(Santillana 2011)

Fig. 10 Cámara fotográfica

Fig. 9 El ojo humano

Según Roca y Corominas (1996) la cámara fotográfica debe tener las

siguientes cualidades:

Un tiempo de exposición bastante corto, de manera que se puedan tomar

instantáneas rápidas de escenas en movimiento, también un grado de claridad

para lograr la nitidez de la imagen

Un gran campo, de manera que se pueda tomar panorámicas y fotografiar objetos

a una distancia pequeña para lograr imágenes de monumentos o grupo grande de

personas.

Una profundidad de campo bastante grande, de forma que los objetos

situados en planos diferentes dan simultáneamente imágenes nítidas en la placa o

la película. La profundidad de campo es la distancia entre dos planos límites y a

medida que la distancia focal y las aperturas son más pequeñas esta distancia se

hace mayor.

Lupa

Es un instrumento subjetivo, es decir, el ojo observa directamente la imagen

que nos proporciona el instrumento y está formada por una lente convergente

destinada a la observación de los detalles en objetos próximos, y nos permite ver

aumentadas las dimensiones aparentes de objetos pequeños y próximos. La

potencia de una lupa depende de su distancia focal, de la distancia del ojo a la

imagen que depende de la posición del objeto y de la posición del ojo respecto a la

lupa.(Roca y Corominas 2006).

Fig. 11 Lupa

Microscopio

Un microscopio es un sistema de lentes que produce una imagen virtual

aumentada de un pequeño objeto.El microscopio más simple es una lente

convergente, conocida como lupa.(Roca y Corominas 2006).

Microscopio Compuesto

Un microscopio compuesto está constituido por dos sistemas convergentes un

objetivo y un ocular. El objetivo representado por una lente convergente de

pequeña distancia focal que representa la imagen de un pequeño objeto como una

imagen real invertida de mayor tamaño, y el ocular representado por una lente

convergente pero de mayor distancia focal que la del objetivo y produce una

imagen mayor que la imagen real.En consecuencia el microscopio compuesto

produce una imagen virtual invertida respecto al objeto y de mayor tamaño que el

mismo. (Camero y Crespo 2001).

Fig. 12 Microscopio

Fig. 13 Esquema Geométrico Microscopio compuesto

Telescopio

Un telescopio es un instrumento que permite la observación de objetos lejanos,

al igual que el microscopio compuesto requiere más de una lente. La parte óptica

se compone de dos sistemas de lentes: un objetivo y un ocular, ambos

convergentes. El objetivo representado por la lente convergente y con una

distancia focal muy grande mientras el ocular representa una distancia focal

menor. Permite observar objetos lejanos, que inciden como rayos paralelos al

objetivo, la imagen se forma dentro de la distancia focal del ocular, El telescopio

ha sido uno de los instrumentos que han contribuido en mayor medida al

conocimiento adquirido por el hombre sobre los cuerpos celeste. (Enoc Sánchez

2005).

Tipos de telescopios

Telescopio Refractor

Es un sistema óptico centrado, que capta imágenes de objetos lejanos

utilizando un sistema de lentes convergentes en los que la luz se refracta. La

refracción de la luz en la lente del objetivo hace que los rayos paralelos,

procedentes de un objeto muy alejado (en el infinito), converjan sobre un punto del

plano focal. Esto permite mostrar los objetos lejanos mayores y más brillantes. La

luz viaja a través de unas lentes y es desviada y amplificada por la curvatura de

esas lentes antes de alcanzar el ojo. El resultado es la amplificación de la imagen.

Fig.14 El telescopio

Este tipo de telescopio es conocido como Galileano, por el astrónomo Galileo

Galilei quien fue el primero en utilizarlo para observar el cielo.

Telescopio Reflector

Es un telescopio óptico que utiliza espejos en lugar de lentes para enfocar la

luz y formar imágenes. El espejo principal o primario es el objetivo. Por su forma

parabólica, refleja la luz concentrándola en un foco. El cono de luz es desviado

hacia el ocular por medio de un espejo secundario que es plano. Este telescopio

es conocido como Newtoneano por el matemático y físico Isaac Newton quien lo

diseñó y construyó por primera vez en 1669.

Fig. 15 Esquema Geométrico Telescopio Refractor

Fig. 16 Esquema Geométrico del Telescopio Reflector