monografia (optica)

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  • 1. INTRODUCCINEste presente trabajo esta realizado por la importancia que tiene la ptica dentro de la Fsica y del mundo diario debido a esto he realizado esta investigacin terica para tener un conocimiento certero y veraz de la ptica dentro de la Fsica.La ptica es una rama muy importante de la Fsica la cual se ocupa de la propagacin y comportamiento de la Luz.La ptica es tan importante que incluso en la Biblia ya se hablaba de espejos.En el primer capitulo se encuentra generalidades, Generalidades, Desarrollo Histrico, Primeras Teoras y otros Fenmenos, Teoras Cientficas, Teora Corpuscular, Teora Ondulatoria estos temas del primer capitulo son muy importantes ya que se estudia su inicio. En el segundo capitulo tenemos como temas de estudio los siguientes: La Luz, Naturaleza dual de la Luz, Los Modelos de Newton y Hugayens, La Luz como Onda Electromagntica, Los Fotones de Einstein , Determinacin de la velocidad de la Luz, La Luz en Lminas, El prisma ptico, Espectro Electromagntico, Formacin de Imgenes en Espejos planos. En el tercer capitulo se encuentran los siguientes temas: Reflexin y Refraccin, Reflexin de la Luz, Refraccin de la Luz, Leyes de Refraccin, Interferencia y Difraccin, Espejos, Lentes. En pginas ltimas tenemos como parte final de este trabajo las conclusiones y recomendaciones.7

2. ESTUDIO DELAS OPTICA 8 3. CAPITULO IGENERALIDADES 9 4. 1. GENERALIDADES1.1. Desarrollo HistricoEn la Edad Antigua se conoca la propagacin rectilnea de la luz y la reflexin y refraccin. Dos filsofos y matemticos griegos escribieron tratados sobre ptica, Empdocles y Euclides. Fig. 1. Propagacin de la Luz Ya en la Edad Moderna Ren Descartes consideraba la luz como una onda de presin transmitida a travs de un medio elstico perfecto (el ter) que llenaba el espacio. Atribuy los diferentes colores a movimientos rotatorios de diferentes velocidades de las partculas en el medio. La ley de la refraccin fue descubierta experimentalmente en 1621 por Willebrord Snell. En 1657 Pierre de Fermat enunci el principio del tiempo mnimo y a partir de l dedujo la ley de la refraccin. La energa radiante tiene una naturaleza dual, y obedece leyes que pueden explicarse a partir de una corriente de partculas o paquetes de energa, los llamados fotones, o a partir de un tren de ondas transversales. El concepto de fotn se emplea para explicar las interacciones de la luz con la materia que producen un cambio en la forma de energa, como ocurre con el efecto fotoelctrico o la luminiscencia. El concepto de onda suele emplearse para explicar la propagacin de la luz y algunos de los fenmenos de formacin de imgenes. En las ondas de luz, como en todas las ondas electromagnticas, existen campos elctricos y magnticos en cada punto del espacio, que fluctan con rapidez. Como estos campos tienen, adems de una magnitud, una direccin determinada, son cantidades vectoriales. Los campos elctrico y magntico son perpendiculares entre s y tambin perpendiculares a la direccin de propagacin de la onda. La onda luminosa ms sencilla es una onda sinusoidal pura, llamada as porque una grfica de la intensidad del campo elctrico o magntico trazada en cualquier momento a lo10 5. largo de la direccin de propagacin sera la grfica de una funcin seno. El nmero de oscilaciones o vibraciones por segundo en un punto de la onda luminosa se conoce como frecuencia. La longitud de onda es la distancia a lo largo de la direccin de propagacin entre dos puntos con la misma fase, es decir, puntos que ocupan posiciones equivalentes en la onda. Por ejemplo, la longitud de onda es igual a la distancia que va de un mximo de la onda sinusoidal a otro, o de un mnimo a otro. En el espectro visible, las diferencias en longitud de onda se manifiestan como diferencias de color. El rango visible va desde 350 nanmetros (violeta) hasta 750 nanmetros (rojo), aproximadamente (un nanmetro, nm, es una milmillonsima de metro). La luz blanca es una mezcla de todas las longitudes de onda visibles. No existen lmites definidos entre las diferentes longitudes de onda, pero puede considerarse que la radiacin ultravioleta va desde los 350 nm hasta los 10 nm. Los rayos infrarrojos, que incluyen la energa calorfica radiante, abarcan las longitudes de onda situadas aproximadamente entre 750 nm y 1 mm. La velocidad de una onda electromagntica es el producto de su frecuencia y su longitud de onda. En el vaco, la velocidad es la misma para todas las longitudes de onda. La velocidad de la luz en las sustancias materiales es menor que en el vaco, y vara para las distintas longitudes de onda; este efecto se denomina dispersin. La relacin entre la velocidad de la luz en el vaco y la velocidad de una longitud de onda determinada en una sustancia se conoce como ndice de refraccin de la sustancia para dicha longitud de onda. El ndice de refraccin del aire es 1,00029 y apenas vara con la longitud de onda. En la mayora de las aplicaciones resulta suficientemente preciso considerar que es igual a 1. A mitades de este siglo nace Isaac Newton (1642 - 1727), quien intent evitar teoras especulativas sobre la ptica realizando observaciones directas, pero permaneci dwante largo tiempo ambivalente con respecto a la naturaleza de la luz. La gran pregunta era si la luz era tui flujo de partculas (teora corpuscular), o si era una onda que se propagaba por el ter (teora ondulatoria). Luego de una serie de experimentos Newton concluy que la luz blanca estaba compuesta de una mezcla de rango completo de corpsculos de colores independientes, los cuales excitaban el ter en vibraciones caractersticas. Si bien el trabajo de Newton pareca reconciliar las dos teoras, al pasar de los aos este se inclin cada vez ms hacia la teora corpuscular. Una de las principales razones de este cambio de perspectiva, se supone que fue debido a que las teoras de ondas de la poca no podan describir satisfactoriamente la propagacin lineal de la luz.Uno de los aportes ms interesantes de Newton a la ptica es el telescopio reflector. En 1668 cre el primero de estos, el cual superaba ampliamente en aumento (en comparacin con el largo de estos) a sus predecesores1.1 Comentario personal 11 6. Al mismo tiempo que Newton difunda la teora corpuscular en Inglaterra, Christian Huygens (1629 - 1695) en el continente difunda la teora ondulatoria. Al contrario de Descartes, Newton y Hooke, Huygens propuso correctamente que la velocidad de la luz deperxla del medio. De la idea ondulatoria Huygens pudo deducir los fenmenos ya descubiertos, pero adems pudo explicar la doble refraccin de la calcita, y descubri la polarizacin. De este modo la luz era segn la teora o un chorro de partculas, o una rpida ondulacin del ter. En ambos casos se saba que la velocidad de propagacin era excesivamente grande. El hecho de que esta velocidad era finita fue determinado por el dans Olaf Romer (1644 - 1710) en 1676. Este mediante algunas observaciones astronmicas, dedujo que la velocidad de la propagacin deba ser finita, y que su valor deba ser de 214.000 km/sDurante el siglo XVffl el gran peso de la opinin de Newton hizo que la teora ondulatoria fuese menospreciada. Sin embargo, Leonhard Euler (1707 - 1783), devoto de la teora ondulatoria, propuso que los efectos indeseables de color que se encuentran en las imtes, no se encontraban en el ojo (suposicin errnea). De esta manera propuso que se poda crear una lente, en la cual estos efectos no estuviesen. Entusiasmado por este trabajo, Samuel Klingestjerna (1698 - 1765), repiti los experimentos de Newton sobre acromatismo y encontr que estaban equivocados. Para la misma poca, el Ingls John Dollond (1706 - 1761), quien estaba en contacto con Klingestjema, obtuvo resultados similares. Finalmente en 1758, combinando dos tipos de vidrio diferentes, Dollond consigui una lente acromtica simple. Este llie un gran adelanto en lo prctico. Incidentalmente esta creacin fue precedida por el trabajo de Chester Moor Hall (1703 - 1771).En el siglo XIX la teora ondulatoria renaci con fluomas Young (1773 - 1829). Young pudo explicar las franjas coloreadas de las pelculas delgadas y determin las longitudes de onda de varios colores utilizando datos de Newton. Si bien siempre mantuvo que sus concepciones originales estaban basadas en las investigaciones de Newton, fue duramente atacado, sobre todo por los ingleses, quienes crean en la infubilidad de Newton.Conceptos.- La ptica es la rama de la fsica que estudia el comportamiento de la radiacin electromagntica, sus caractersticas y sus manifestaciones. Abarca el estudio de la reflexin, la refraccin, las interferencias, la difraccin y la formacin de imgenes y la interaccin de la radiacin con la materia.12 7. Desde el punto de vista fsico, la luz es una onda electromagntica. Segn el modelo utilizado para la luz, se distingue entre las siguientes ramas, por orden creciente de precisin (cada rama utiliza un modelo simplificado del empleado por la siguiente):La ptica geomtrica: Trata a la luz como un conjunto de rayos que cumplen el principio de Fermat. Se utiliza en el estudio de la transmisin de la luz por medios homogneos (lentes, espejos), la reflexin y la refraccin.La ptica ondulatoria: Considera a la luz como una onda plana, teniendo en cuenta su frecuencia y longitud de onda. Se utiliza para el estudio de difraccin e interferencia.La ptica electromagntica: Considera a la luz como una onda electromagntica, explicando as la reflectancia y transmitancia, y los fenmenos de polarizacin y anisotropa.La ptica cuntica u ptica fsica: Estudio cuntico de la interaccin entre las ondas electromagnticas y la materia, en el que la dualidad onda-corpsculo desempea un papel crucial. 1.1.1. Primeras Teoras y otros Fenmenos.Por su parte, Hooke fue de los primeros defensores de la teora ondulatoria que fue extendida y mejorada por Christian Huygens que enunci el principio que lleva su nombre, segn el cual cada punto perturbado por una onda puede considerarse como el centro de una nueva onda secundari