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La naturaleza de la luz

A lo largo de la historia se han desarrollado distintas teorías para tratar de explicar la naturaleza de la luz. Lepucio (450 a.c.), los cuerpos son focos que desprenden imágenes, estas son captados a través de los ojos y de ahí pasan al alma que las interpretaba.Los filósofos de la escuela Pitagórica por el contrario, afirmaban que no eran los objetos sino los ojos los emisores de luz, hacían un símil con el sentido del tacto, es decir, el ojo “palpaba“ los objetos por medio de una fuerza invisible.Euclides (300 a.c.) introdujo el concepto de rayo de luz emitido por el ojo, el cual viajaba en línea recta hasta alcanzar el objeto.El árabe Ajasen Basora (965-1039) introdujo la idea de que la luz era un proyectil que provenía del sol, rebotaba en los objetos y de estos llegaba al ojo.Newton (1642-1727), fue el primero en formular una hipótesis seria sobre la naturaleza de la luz, la cual describía como una emisión de partículas (teoría corpuscular de la luz)

Teoría corpuscular o de la emisión de la luz. Establece que la luz se propaga como una corriente de partículas que son emitidas por la fuente de luz. Cuando las partículas entran al ojo, estimulan el sentido de la vista y la luz es percibida. Utilizando esta teoría, Newton dio una explicación simple de algunos hechos experimentales relacionados con la naturaleza de la luz

Teoría ondulatoria de la luz.

En 1687, Christian Huygens demostró que una teoría ondulatoria podría explicar las leyes de reflexión y refracción. Esta teoría no fue aceptada de manera inmediata, en parte al prestigio de Newton que apoyaba la teoría corpuscular y en otra a las huecos en ella. Por ejemplo, todas las ondas conocidas en esa época necesitaban de un medio para propagarse, sin embargo, la luz del sol llega hasta nosotros a través del vacío. Se intentó dar una explicación con la hipótesis del éter, el cual se suponía, era un medio que existía aún en el vacío y por el cual viajaban las ondas luminosas.

En 1801 Thomas Young hizo la primera demostración convincente de que, en condiciones apropiadas, la luz exhibía un comportamiento de interferencia. Las ondas pueden combinarse o cancelarse entre sí debido a la interferencia. Esto no se puede explicar con la teoría corpuscular, ya que no es posible que dos partículas se cancelen entre sí.

En 1873, Maxwell demostró que la luz era una forma de onda electromagnética de alta frecuencia, por lo tanto no requiere de un medio para propagarse. Hertz y otros investigadores mostraron que estas ondas se reflejan, se refractan y muestran todas las características de las ondas.

Naturaleza dual de la luz: Aunque la teoría ondulatoria explica muchos de los fenómenos de la luz, no explica otros como el efecto fotoeléctrico descubierto por Hertz: experimentalmente se encontró que la energía cinética de los electrones emitidos es independiente de la intensidad de la luz, lo cual contradice a la teoría ondulatoria. Einsten proporcionó una explicación utilizando el modelo de cuantización desarrollado por Max Plank. Este modelo considera que la luz se presenta en paquetes de energía (fotones). De acuerdo con Einsten la energía de un fotón esta dada por E=hf, donde h= 6.63E-34 es la constante de Planck. Hoy en día se considera que la luz tiene una naturaleza dual, la teoría ondulatoria electromagnética clásica da una explicación adecuada de la propagación de la luz y los efectos de interferencia, por otra parte, el efecto fotoeléctrico y otros experimentos donde interviene la luz con la materia , son mejor explicados considerando que la luz esta formada por partículas.

Mediciones de la rapidez de la luz.

CONSIDERACIONES EN LA ÓPTICA GEOMÉTRICA

DEMOSTRACION PRINCIPIO DE HYUGENS REFRACCIÓN TOTAL PRINCIPIO DE FERMAT

PREGUNTAS DE CONTROL

1.- ¿Qué es la luz?

2.- ¿Cuál fue el primer experimento que dio como resultado una velocidad de luz finita? Explique el experimento.

3.- Concepto de rayo.- Limitaciones

4.- ¿Qué dice el principio Huygens?

5.- ¿Qué dice la Ley de Snell?

6.- ¿Cuál es la diferencia entre imagen real e imagen virtual?

7.- ¿Cómo se define la amplificación?

IMÁGENES FORMADAS POR ESPEJOS PLANOS

IMÁGENES FORMADAS POR ESPEJOS ESFÉRICOS CONCAVOS

IMÁGENES FORMADAS POR ESPEJOS ESFÉRICOS CONVEXOS

Imagen en función de la posición del objeto/espejo cóncavo

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 0.5 1 1.5

S-Objeto

S1-

Imag

en

Imagen formada por un espejo convexo

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

Ejercicios

VER ANIMACIONES

DISPERSIÓN DE LA LUZUno de los fenómenos de la luz natural es su descomposición en todos los colores del arco iris, desde el rojo hasta el violeta, cuando se refracta a través de algún material de vidrio, este fenómeno recibe el nombre de dispersión y es debido a que la velocidad de la luz en un medio cualquiera varía con la longitud de onda. Así, para un mismo ángulo de incidencia, la luz se refracta con ángulos distintos para diferentes colores.

IMAGEN DE LENTE CONVERGENTE(OBJETO REAL)

-10

-5

0

5

10

15

0 0.5 1 1.5

R1

R2

IMAGEN DE LENTE DIVERGENTE(OBJETO REAL)

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0 0.5 1 1.5

R1

R2

IMAGEN DE LENTE DIVERGENTE(OBJETO VIRTUAL)

-10

-5

0

5

10

-1.5 -1 -0.5 0

R1

R2

IMAGEN DE LENTE CONVERGENTE(OBJETO VIRTUAL)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

-1.5 -1 -0.5 0

R1

R2

ABERRACIONES OPTICAS

Las aberraciones son varios errores que resultan en imperfección de la imagen. Estos errores pueden ser el resultado de errores de fabricación, o de defectos del diseño. Es imposible diseñar y fabricar sistemas ópticos absolutamente libres de aberraciones.

Con independencia del color de las radiaciones que llegan al objetivo, debido a la curvatura de las lentes, los rayos que inciden más cerca de los bordes convergen más cerca del objetivo que las que llegan al eje principal, lo que perjudica la nitidez de la imagen. A este inconveniente se le denomina aberración esférica

ABERRACIÓN CROMÁTICA Recordemos que la refracción estaba condicionada por la longitud de onda de la luz incidente. Como dentro de las longitudes de onda que componen la luz blanca, la azul (más corta) se refracta más que la roja, los colores azules formarán su imagen ligeramente más cerca del objetivo que los rojos.

Este efecto resulta muy notable fotografiando en color con grandes teleobjetivos, y se traduce en una fina banda irisada que contornea los objetos, ya que cada color forma una imagen de distinto tamaño.

ABERRACIÓN ASTIGMATICA

Esta aberración se presenta por defectos en las lentes determinados por la diferencia de curvatura en diferentes direcciones.

Veamos el caso de que la lente no sea esférica sino cilíndrica. En sentido vertical los rayos no se difractan, mientras que en dirección horizontal si.

El astigmatismo corresponde entonces, en el ojo, a la condición óptica en la que la córnea o el cristalino dejan de ser lentes esféricas para incluir, en mayor o menor grado, un defecto cilíndrico. ¿Cómo puede ocurrir esto? Un nuevo símil ayudará a entender la situación. Para entender la forma de una córnea normal basta con imaginar un balón esférico al que se le secciona una porción cualquiera. Esta porción es una sección de esfera cuyos meridianos tienen la misma curvatura (Figura 11).

El astigmatismo corresponde a la condición óptica en la que la lente dejan de ser esférica para incluir, en mayor o menor grado, un defecto cilíndrico.

Lente normal obtenida de un sector esférico

Lente astigmática. Tomemos ahora una llanta de automóvil y hagamos un corte paralelo a uno de sus diámetros. Esta porción de llanta presenta dos curvaturas distintas: la primera, más plana, corresponde a la superficie de rodaje de la llanta; la segunda, más acentuada, corresponde a la sección de la llanta perpendicular al sentido del rodaje. Si esta sección de llanta fuera una lente óptica sería una lente astigmática, ya que no tendría el mismo poder de refracción en todos sus meridianos. Los más planos funcionarían como una lente esférica poco potente, los más curvos como una lente esférica muy potente. Si una lente esférica enfoca la luz en un solo punto, una lente astigmática lo hace en parte en un punto correspondiente a los meridianos más planos y en parte en un segundo punto correspondiente a los meridianos más curvos, por lo que es imposible obtener con dichas lentes una sola imagen en foco.

ABERRACIÓN DE COMA

Ocurre cuando los rayos que convergen oblicuamente, lo hacen en el plano focal, pero no precisamente en el lugar que les corresponde. Su nombre deriva de la apariencia de la imagen en forma de cometa con su cola.

Curvatura de Campo: causado por los rayos de luz que no llegan al punto de enfoque en el mismo plano. El centro del campo de visión podría estar muy enfocado y nítido pero en los bordes podría estar fuera de foco o viceversa.

ABERRACIÓN DE DISTORSIÓN Los objetivos más sencillos, y los de amplio ángulo visual, deforman las líneas rectas tanto vertical como horizontalmente.

ANIMACION