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Física 2º bachillerato Tema 10. Óptica geométrica. Horacio Luis Higueras García IES Federico García Lorca 1 TEMA 10. ÓPTICA GEOMÉTRICA. ÍNDICE 1. Introducción a la Óptica Geométrica. 2. Dioptrio 2.1. Conceptos básicos 2.2. Dioptrio esférico. 2.2.1. Convenio de signos. 2.2.2. Ecuación fundamental. 2.2.3. Construcción de imágenes. 2.3. Dioptrio plano. 3. Espejos. 3.1. Espejos planos 3.2. Espejos esféricos. 3.2.1. Construcción de imágenes. 4. Lentes delgadas. 4.1. Ecuación fundamental de las lentes delgadas. 4.2. Potencia de una lente. 4.3. Aumento lateral de una lente. 4.4. Construcción de imágenes. 5. El ojo humano y la visión. 5.1. Defectos de la visión. 5.2. Corrección de defectos visuales. 6. Instrumentos ópticos 6.1. La lupa. 6.2. El microscopio. 6.3. Prismáticos y telescopios. 1. Introducción a la Óptica Geométrica. Los postulados en los que se basa la óptica geométrica están establecidos a partir de la observación experimental y son: a) Propagación rectilínea de la luz en un medio homogéneo. b) Leyes de la reflexión. c) Leyes de la refracción. d) Independencia de los rayos de luz. e) Los rayos luminosos no interfieren entre sí. f) Principio de reversibilidad de la luz (se puede invertir el sentido de los rayos). 2. Dioptrio. 2.1.Conceptos básicos. Radio de curvatura: Es el radio de la superficie esférica considerada, ya sea un espejo o un dioptrio. Según el radio de curvatura sea positivo o negativo, los sistemas ópticos esféricos pueden ser convexos o cóncavos respectivamente. Eje óptico: es el eje de simetría común de los distintos dioptrios que conforman el sistema óptico.

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Física 2º bachillerato Tema 10. Óptica geométrica.

Horacio Luis Higueras García IES Federico García Lorca

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TEMA 10. ÓPTICA GEOMÉTRICA.

ÍNDICE

1. Introducción a la Óptica Geométrica.

2. Dioptrio

2.1. Conceptos básicos

2.2. Dioptrio esférico.

2.2.1. Convenio de signos.

2.2.2. Ecuación fundamental.

2.2.3. Construcción de imágenes.

2.3. Dioptrio plano.

3. Espejos.

3.1. Espejos planos

3.2. Espejos esféricos.

3.2.1. Construcción de imágenes.

4. Lentes delgadas.

4.1. Ecuación fundamental de las lentes delgadas.

4.2. Potencia de una lente.

4.3. Aumento lateral de una lente.

4.4. Construcción de imágenes.

5. El ojo humano y la visión.

5.1. Defectos de la visión.

5.2. Corrección de defectos visuales.

6. Instrumentos ópticos

6.1. La lupa.

6.2. El microscopio.

6.3. Prismáticos y telescopios.

1. Introducción a la Óptica Geométrica.

Los postulados en los que se basa la óptica geométrica están establecidos a partir

de la observación experimental y son:

a) Propagación rectilínea de la luz en un medio homogéneo.

b) Leyes de la reflexión.

c) Leyes de la refracción.

d) Independencia de los rayos de luz.

e) Los rayos luminosos no interfieren entre sí.

f) Principio de reversibilidad de la luz (se puede invertir el sentido de los rayos).

2. Dioptrio.

2.1.Conceptos básicos.

Radio de curvatura: Es el radio de la superficie esférica considerada, ya sea un

espejo o un dioptrio. Según el radio de curvatura sea positivo o negativo, los

sistemas ópticos esféricos pueden ser convexos o cóncavos respectivamente.

Eje óptico: es el eje de simetría común de los distintos dioptrios que conforman

el sistema óptico.

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Vértice óptico: es el punto de intersección del dioptrio con el eje óptico.

Imagen: Se forma una imagen de un punto cuando los rayos de luz que parten

de ese punto concurren en otro punto después de atravesar un sistema óptico.

Dicha imagen es real cuando se forma por la intersección de rayos procedentes

del objeto que convergen tras atravesar el sistema óptico y es virtual cuando la

imagen se forma por la intersección de las prolongaciones de los rayos

divergentes formados. Las distancias del objeto y la imagen al vértice óptico se

representan por los símbolos s y s´ respectivamente.

Aumento lateral (AL): la relación que existe entre el tamaño de la imagen

(designada por y´) y el tamaño del objeto (designada por y).

Foco objeto: se llama foco objeto al punto en el que los rayos procedentes de

dicho punto saldrían paralelos al eje tras refractarse.

Foco imagen: se denomina foco imagen al punto del eje óptico donde

convergerían, después de refractarse, rayos que procedentes del infinito

incidiesen sobre la superficie del dioptrio paralelos al eje óptico.

Distancias focales: distancias los focos al vértice del dioptrio. Se designa a la

distancia focal objeto por f y la distancia focal imagen por f´

Foco objeto y foco imagen en un dioptrio convexo.

2.2.Dioptrio esférico.

Se denomina dioptrio esférico a cualquier superficie esférica que separa dos

medios trasparentes de distinto índice de refracción.

2.2.1. Convenio de signos.

a) La luz incide siempre de izquierda a derecha.

b) Los puntos se representan con letras mayúsculas y las distancias con minúsculas,

a excepción del radio de curvatura que se designa por R.

c) Las dimensiones del objeto y de la imagen son positivas cuando se miden por

encima del eje y negativas cuando se miden por debajo del mismo.

d) Los radios de las superficies convexas alcanzadas por la luz se consideran

positivos y los de las superficies cóncavas alcanzadas por la luz se consideran

negativos.

e) Todas las distancias objeto se consideran positivas cuando se miden a la

izquierda del vértice y negativas cuando se miden a la derecha del mismo.

f) Todas las distancias imagen son positivas cuando se miden a la derecha del

vértice y negativas cuando se miden a la izquierda del mismo.

g) Las dos distancias focales son positivas para los sistemas convergentes y

negativas para los sistemas divergentes.

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2.2.2. Ecuación fundamental.

La ecuación fundamental del dioptrio esférico es sólo válida para rayos

paraxiales, es decir, rayos muy próximos al eje óptico y con un ángulo de incidencia

muy pequeño. La expresión es la siguiente:

Utilizando la definición de foco y distancia focal se pueden poner esta ecuación

en función de las distancias focales:

2.2.3. Construcción de imágenes.

La imagen de un objeto se puede obtener gráficamente dibujando tres rayos de

trayectoria conocida que son:

- Un rayo que procede del objeto y pase por el centro de curvatura el cual no sufre

desviación alguna después de refractarse.

- Un rayo que procede del objeto y que pasa por el foco objeto, siguiendo una

trayectoria paralela al eje óptico después de refractarse.

- Un rayo que procede del objeto y que sea paralelo al eje óptico, tal que, después

de refractarse, pasa por el foco imagen.

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2.2 Dioptrio plano.

El dioptrio plano sería un caso particular del dioptrio esférico con un radio de

curvatura infinita.

La ecuación del dioptrio plano se obtiene sustituyendo el radio de curvatura por

infinito. De esta manera queda:

El dioptrio plano se caracteriza por lo siguiente:

- El dioptrio plano carece de focos al ser el radio de curvatura infinito.

- La imagen siempre tiene el mismo tamaño que el objeto.

- La imagen siempre se forma en el mismo lado que el objeto, pero

produciendo una modificación aparente en la posición.

- Si el observador está en un medio menos refringente, el objeto parece estar

más cerca y viceversa.

3. Espejos.

Es cualquier superficie lisa y pulimentada capaz de reflejar los rayos luminosos

que llegan a él. Según sea la forma geométrica se clasifican en planos o esféricos.

3.1.Espejos planos

Como en los espejos se produce la reflexión de los rayos luminosos, los índices

de refracción son iguales y de la ecuación del dioptrio plano se deduce que:

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Esto es, la imagen se encuentra a la misma distancia del espejo que el objeto.

De la misma manera, el tamaño de la imagen es igual a la del objeto por lo que

el aumento lateral será igual a 1.

3.2.Espejos esféricos.

Debido a la mayor sencillez de la ley de la reflexión comparada

con la de la refracción, el estudio de la formación de imágenes por los

espejos es más fácil que en el caso de los dioptrios.

El convenio de signos es el mismo que en el caso de los dioptrios,

salvo que en el caso de los espejos el objeto y la imagen serán reales y las

distancias s y s’ positivas cuando se encuentran a la izquierda del vértice,

mientras que son negativas y virtuales cuando están a la derecha.

En los espejos esféricos, los focos imagen y objeto coinciden y la

distancia focal vale la mitad del radio de curvatura del espejo

La ecuación del espejo esférico se deduce de la propia del dioptrio esférico

tomando los índices de refracción iguales:

La imagen formada en un espejo convexo es siempre virtual, es decir, se genera

a la derecha, y de menor tamaño que el objeto. Sin embargo, para espejos cóncavos, la

imagen formada dependerá de la distancia del objeto al radio de curvatura. Esto se

puede observar en la siguiente simulación. A continuación se muestran algunos

ejemplos para un espejo cóncavo:

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Ejemplo de formación de imágenes para espejos cóncavos. Fuente:

http://estudiantesdefisica.blogspot.es/

4. Lentes delgadas.

Una lente es un sistema óptico formado por un medio transparente limitado por

dos dioptrios, debiendo ser al menos uno esférico. Una lente se considera delgada si su

grosor es pequeño comparado con los radios de curvatura de los dioptrios.

En las lentes que se estudian en este curso se supone que los vértices ópticos de

ambos dioptrios coinciden, denominándose a ese punto centro óptico de la lente.

Las lentes pueden ser convergentes o divergentes. En el primer caso, los rayos

luminosos pararlelos al eje óptico convergen en el foco imagen. Por el contrario, en la

lente divergente los rayos paralelos al eje óptico divergen al salir de la lente, cortándose

las prolongaciones de estos rayos en el foco imagen.

En las lentes delgadas que se estudian en este curso, se considera que las

distancias focales son iguales pero de signo contrario. Esto es ´

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4.1.Ecuación fundamental de las lentes delgadas.

La ecuación se deduce teniendo en cuenta que la imagen formada por el primer

dioptrio es el objeto para el segundo. Esta expresión queda:

( ) (

)

Si consideramos que la lente está en el aire y el índice de refracción para el aire

es 1 la ecuación anterior queda:

( ) (

)

Si además tenemos en cuenta que las distancias focales son iguales, tal y como

se ha dicho anteriormente entonces:

4.2.Potencia de una lente.

Es la capacidad que tiene una lente para hacer converger los rayos de luz que la

atraviesan. Cuanto mayor es la potencia, mayor es la convergencia de los rayos que

emergen de ella. Se define como la inversa de su distancia focal imagen:

Se mide en dioptrías (D).

4.3.Aumento lateral de una lente.

Como ya se ha comentado, se define como la relación que hay entre el tamaño

de la imagen y el tamaño del objeto. Estos están en la misma relación que las distancias

para las lentes delgadas por lo que:

4.4.Construcción de imágenes

Para la construcción de imágenes en lentes no hay más que dibujar el camino

que seguirán dos de los tres rayos cuya trayectoria se conoce, y que son los mismos que

en el caso del dioptrio:

- Un rayo que procede del objeto y pase por el centro óptico de la lente el cual no

sufre desviación alguna después de atravesarla.

- Un rayo que procede del objeto y que pasa por el foco objeto, siguiendo una

trayectoria paralela al eje óptico después de refractarse.

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- Un rayo que procede del objeto y que sea paralelo al eje óptico, tal que, después

de refractarse, pasa por el foco imagen.

Método de construcción de lentes. Extraido de https://edbar01.wordpress.com

Se pueden prácticar el método de la construcción de imágenes en lentes delgadas

mediante la siguiente simulación.

A continuación se muestran algunos ejemplos de construcción de imágenes en

lentes delgadas convergentes:

Extraido de https://edbar01.wordpress.com

Para saber algo más sobre espejos y lentes te recomiendo el siguiente vídeo.

También este otro vídeo.

5. El ojo humano y la visión.

El ojo humano constituye, sin duda, el instrumento óptico primordial, puesto que

a través de él, tiene lugar el último proceso de formación y transformación de imágenes:

la visión.

Su forma geométrica se corresponde aproximadamente con el de una esfera de

2'5 cm de diámetro. Una envoltura o membrana resistente y opaca le protege del

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exterior, es la esclerótica. En su parte frontal cambia la curvatura y se hace transparente,

dando lugar a la córnea, que es un casquete esférico de menor radio de curvatura que el

resto del globo ocular. En la región situada tras la córnea se halla un líquido

transparente de índice de refracción igual que el agua que es el humor acuoso. Dicha

sustancia rellena la cavidad comprendida entre la córnea y la lente del ojo o cristalino.

El cristalino está formado por una sustancia elástica y gelatinosa. Como lente

óptica, cabe señalar dos características singulares: su índice de refracción no es

uniforme, sino que aumenta de

forma continua en el sentido de

avance de la luz. Los radios de

curvatura de ambos dioptrios,

que son variables, son

controlados por el músculo

ciliar, que se une al cristalino

mediante ligamentos. Detrás de

la lente del cristalino, el ojo

está lleno de una gelatina ligera,

que contiene en su mayor parte

agua y se llama humor vítreo.

Los índices de refracción de ambos humores y del cristalino no difieren mucho,

de modo que la mayor parte de la refracción de la luz que entra en el ojo es producida

en la córnea. Entre la córnea y el cristalino actúa un diafragma o iris, que deja un

orificio central o pupila, de tamaño variable, regulado automáticamente en función de la

intensidad de la luz incidente, por las fibras musculares correspondientes. El diámetro

de la pupila disminuye cuando el brillo crece y aumenta en caso contrario. En virtud de

este procedimiento, denominado adaptación, el diámetro de la pupila puede hacerse

cuatro veces mayor por lo que el área puede aumentar 16 veces. Sin embargo, el ojo es

capaz de adaptarse a variaciones relativas de brillo del orden de 1/106, que no pueden

ser compensadas por variación en el área del campo.

El conjunto de elementos ópticos hasta ahora considerados constituye un sistema

óptico capaz de producir imágenes reales enfocadas sobre la retina, que es una película

o envoltura interna de la mayor parte del ojo. Sobre la retina se hallan dispuestas las

fibras nerviosas, que son prolongaciones del nervio óptico. La estructura retiniana

formada por conos y bastoncillos sensibles, de forma diferencial, a los diferentes

componentes de la luz, codifica las imágenes al generar los impulsos nerviosos

correspondientes, los cuales son transmitidos por el nervio óptico hasta el cerebro,

originándose allí la sensación visual.

La distribución de conos y bastoncillos por la retina no es uniforme. Así, existe

una ligera depresión en ella, llamada mancha amarilla o mácula, en cuyo centro existe

una región diminuta, de unos 0'25 cm de diámetro, llamada fóvea centralis, que está

formada únicamente por conos. La visión es más aguda en esta región que en cualquier

otra de la retina, de modo que los músculos que regulan el movimiento ocular sitúan el

globo en una posición tal que la imagen se forma sobre la fóvea. En resto de la retina no

es igualmente sensible a la luz y contribuye a la formación del fondo de la imagen

concreta en la que se está interesado.

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5.1.Defectos de la visión

El ojo humano normal puede enfocar con nitidez un objeto a cualquier distancia

comprendida desde el infinito (punto remoto) hasta unos 25 cm delante del ojo (punto

próximo). Hay un cierto número de defectos de la visión que dependen simplemente de

una relación incorrecta entre las diversas partes del ojo, considerado como sistema

óptico. Un ojo normal forma sobre la retina una imagen de un objeto situado en el

infinito cuando el ojo está en descanso, y se denomina emétrope. Si el punto remoto de

un ojo no se encuentra en el infinito, el ojo es amétrope. Las dos formas más sencillas

de ametropía son la miopía y la hipermetropía.

En el ojo miope, el globo del ojo es demasiado largo comparado con el radio de

curvatura de la córnea, y los rayos que proceden de un objeto situado en el infinito,

forman la imagen delante de la retina. El objeto más distante para el cual puede

formarse una imagen sobre la retina se halla a una distancia finita, o sea, el punto

remoto no está en el infinito. Por otra parte, el punto próximo de un ojo miope si la

acomodación es normal, está más cerca del ojo que lo que corresponde a una persona

con visión normal.

En el ojo hipermétrope, el globo ocular es corto y la imagen de un objeto situado

en el infinito, se formará detrás de la retina. Mediante acomodación los rayos paralelos

pueden hacerse converger sobre la retina, pero, evidentemente, si el intervalo de

acomodación es el normal, el punto próximo estará más distante que en el caso de un

ojo emétrope.

Defectos de la visión. Extraido de http://centrocirugiaocular.com/

El astigmatismo se refiere a un defecto en el cual la superficie de la córnea no es

esférica, sino que tiene una curvatura mayor en un plano que en otro. El astigmatismo

no permite enfocar simultáneamente con nitidez los barrotes horizontales y verticales de

una ventana.

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5.2.Corrección de defectos visuales.

- Presbicia e Hipermetropía. El punto próximo de un ojo présbita o de un ojo

hipermétrope, está más lejos del ojo que lo normal. Para ver claramente un

objeto situado a la distancia de lectura normal (esta distancia es de 25 cm) se ha

de colocar delante del ojo una lente convergente de distancia focal tal, que forme

una imagen del objeto en el punto próximo o más allá de él. Así, la lente no hace

que el objeto parezca más grande, sino que aleja el objeto del ojo para que sea

enfocado nítidamente sobre la retina.

- Miopía: El punto remoto de un ojo miope está a una distancia finita. Para ver

con claridad los objetos que están más lejos del punto remoto, ha de utilizarse

una lente divergente que forme una imagen de tales objetos a una distancia del

ojo no superior al punto remoto.

Corrección de defectos ópticos. Extraido de http://www.blogplanetacurioso.com.br/

6. Instrumentos ópticos

Los instrumentos ópticos son, en esencia, sistemas ópticos de complejidad

variable formados por lentes y espejos diseñados para cumplir unas funciones

específicas. Su empleo ha permitido al hombre salvar las limitaciones del ojo humano,

tanto para lo muy pequeño como para lo muy distante, ampliando enormemente sus

posibilidades como sistema óptico. El diseño de tales aparatos constituye la mayor

aplicación de la óptica geométrica como ciencia física.

6.1.La lupa.

Es una lente convergente, generalmente biconvexa, que permite colocar el objeto

a menor distancia que el punto próximo, ampliando el ángulo de visión para que el

objeto parezca tener mayor tamaño.

El aumento angular o poder amplificador de un lupa viene dado por la expresión:

Siendo f la distancia focal de la lupa.

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6.2.El microscopio.

Es un dispositivo óptico formado por dos lentes convergentes denominadas

objetivo y ocular.

El aumento total del microscopio viene dado por la siguiente expresión:

Siendo d la distancia entre el foco imagen del objetivo y el foco objeto del

ocular.

Bibliografía

- Física 2º bachillerato. Editorial Anaya, 2009. ISBN: 978-84-667-8263-0.

- Física 2º bachillerato. Editorial McGraw Hill, 2009. ISBN: 978-84-481-7027-1.

- Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Forestal.

http://acer.forestales.upm.es/

- Departamento de física y química del IES Leonardo da Vinci.

http://intercentres.edu.gva.es/iesleonardodavinci/Fisica.

- Laplace. Departamento de Física Aplicada III. Universidad de Sevilla.

http://laplace.us.es/wiki/index.php/P%C3%A1gina_Principal.

- Blog Ciencia de sofá: www.cienciadesofa.com.

- PhET Interactive Simulations. Simulaciones de la Universidad de Colorado:

https://phet.colorado.edu/es/simulations/category/physics.

- Blog planeta curioso. http://www.blogplanetacurioso.com.br/

- Blog el físico loco: www.elfisicoloco.blogspot.com.es.

- Página web www.fisicalab.com.

- Blog de Mercedes González Bas. https://mgmdenia.wordpress.com.

- Página web históptica. http://histoptica.com/

- Página web centro de cirugía ocular. http://centrocirugiaocular.com/

- Simulaciones Walter Fendt. http://www.walter-fendt.de.