FÍSICA

6. Óptica.

1. Introducción histórica: modelos corpuscular y

ondulatorio.

2. Ondas electromagnéticas. Espectro

electromagnético.

3. Reflexión y refracción. Ley de Snell.

4. Dispersión de la luz.

5. Óptica geométrica. Formación de imágenes en

lentes y espejos.

1. Introducción histórica: modelos

corpuscular y ondulatorio.

Antigüedad

• Simple descripción de los fenómenos (reflexión y refracción).

• Arquímedes establece los primeros tratados sobre óptica.

Siglo XVII

• Snell deduce experimentalmente la Ley de Refracción.

• Descartes publica Dióptrica.

Finales del s. XVII y comienzos del s. XVIII

• Huygens (1690) establece la Teoría Ondulatoria de la luz.

• Newton (1704) establece la Teoría Corpuscular de la luz.

T. Ondulatoria (Huygens) T. Corpuscular (Newton)

Naturaleza

de la luz

Onda mecánica

longitudinal.

Partículas materiales de

masa pequeña y velocidad

muy grande.

Rectilínea Por alta frecuencia. Por alta velocidad.

Colores Diferentes frecuencias. Diferentes velocidades.

Medios

más densos

Velocidad menor. Velocidad mayor.

Fenómenos Interferencia y difracción. Ni interferencia ni difracción.

Inconv.

Necesita de la existencia de un

medio material (éter)

desconocido.

A esa fecha no se había

observado ni interferencia ni

difracción

No aclara la refracción.

No explica el cruce de rayos

sin que haya choque de

partículas.

Siglo XIX

• Prevalece la teoría de Newton, dejando olvidada la de

Huygens hasta que:

• Young (1801) observó interferencias en la luz.

• Fresnel (1815) observa la difracción y demuestra que

las ondas son transversales.

• Foucault (1855) comprobó que la velocidad de la luz en

el agua es menor que en el aire.

• Se rescató entonces la teoría ondulatoria como válida.

2. Ondas electromagnéticas.

Espectro electromagnético.

• James C. Maxwell publica su Teoría Electromagnética

(1865), en la que unifica electricidad y magnetismo.

• Una consecuencia de dicha teoría es que los campos

eléctrico y magnético podrían propagarse como ondas

(ondas electromagnéticas).

1v

• La velocidad de dichas ondas coincidía

con el valor medido por Foucault para la

velocidad de la luz.

• Hertz comprobó experimentalmente (1887) la predicción

de Maxwell, generando ondas electromagnéticas usando el

fenómeno de inducción mediante un generador de chispas.

Generador de chispas de Hertz

Consigue que, a cierta distancia, salte una chispa en un

circuito receptor. La chispa es, básicamente, una

corriente variable que crea un campo magnético

variable en sus inmediaciones. Por inducción, se crea

un campo eléctrico variable que vuelve a generar un

campo magnético variable, y así sucesivamente.

La energía que se suministra a las cargas en el receptor

se ha transmitido a una cierta distancia mediante una

perturbación que se propaga por el espacio como una

onda.

Hertz comprueba que obedecen las leyes de reflexión y

refracción, del mismo modo que la luz, se llega a la

conclusión de que la luz es una onda

electromagnética.

Caraterísticas de las Ondas Electromagnéticas

• Ondas armónicas.

• Transversales.

• No necesitan un medio material para propagarse.

• La velocidad de propagación depende de las

características eléctricas y magnéticas del medio.

8 1

0 0

1 1v c 3·10 ms

Índice de

refracción de un

medio:c

n 1v

Caraterísticas de las Ondas Electromagnéticas

0 0E E ·sen t kx E ·sen t kx j

0 0B B ·sen t kx B ·sen t kx k

E B v

Banda λ (m) Origen Utilidad

Radioondas 104

10-1

Circuitos eléctricos. Radiodifusión y

telecomunicaciones.

Microondas 10-1

10-4

Vibraciones moleculares. Radioastronomía y

comunicaciones.

Infrarrojos 10-4

7,5·10-7

Oscilaciones atómicas de

cuerpos calientes.

Industria y medicina.

Luz visible 7,5·10-7

4·10-7

Oscilaciones de electrones

externos del átomo.

Vista humana, láser.

Ultravioleta 4·10-7

3·10-9

Oscilaciones de electrones

internos del átomo.

Industria y medicina.

Rayos X 3·10-9

4·10-11

Oscilaciones de electrones

próximos al núcleo.

Industria y medicina.

Rayos

Gamma

10-15 Fenómenos y reacciones

nucleares.

Investigación.

3. Reflexión y refracción. Ley de Snell.

Reflexió

n

i r i r

i r

v v

i r

Refracció

n

i r i r

i r

v v

i r

Ley de Snell

1 1

2 2

sen vcte

sen v

1 2

2 1

sen n

sen n

Incidencia

perpendicular:1 20º 0º

2 1 2 1

2 1 2 1

n n

n n

Reflexión

total:2

2 L

1

n90º sen

n

L : ángulo límite

4. Dispersión de la luz.

En medios dispersivos la velocidad de luz depende de su

frecuencia.

Consecuencias:

• Cada color se propaga a velocidad diferente.

• La longitud de onda cambia.

• Cada color tiene su propio índice de refracción, por lo

que los ángulos de refracción serán diferentes.

Por tanto, los rayos de luz de distintos colores se separan

(se dispersan) al pasar por un medio dispersivo (vidrio,

agua), siendo la luz roja (mayor λ) la que menos se

desvía, y la luz azul-violeta (menor λ) la que más.

Fenómenos dispersivos de la luz

Dispersión en un prismaColores del cielo

Arcoiris

5. Óptica geométrica.

La luz se propaga en línea recta mientras el medio es

constante.Sistemas ópticos: conjunto de medios materiales

atravesados por rayos luminosos (lentes y espejos).

Características de la imagen

Imagen Real: los rayos convergen en un punto tras pasar

por el sistema óptico. Si se coloca una pantalla o una

película fotográfica en ese punto, se ve la imagen.

Imagen Virtual: los rayos divergen del sistema óptico.

Parece que provienen de un punto imaginario.No se puede

plasmar en una pantalla o película fotográfica.

Derecha: se ve igual que el objeto.

Invertida: se ve al revés.

Lentes Convergentes

Convexas:

plano-convexas,

biconvexas, etc.

Concentran los

rayos.

Lentes Divergentes

Cóncavas:

plano-cóncavas,

bicóncavas, etc.

Separan los rayos, siempre producen imágenes virtuales.

Espejos

Los focos F y F' coinciden. Sólo existe reflexión.

Plano Esférico convexo

Esférico cóncavof R / 2

Ecuaciones de Newton

Posición y tamaño de las imágenes de espejos y lentes.

1 1 1

s s' f

Posición

y' s'

y s

Tamaño

f: distancia focal.

conv

div

f 0

f 0

y: tamaño objeto.

y’: tamaño imagen.

Imagen real: y y' 0

Imagen virtual: y y' 0

s: posición del objeto.

s 0 (izquierda)

s’ posición de la imagen

Izquierda Derecha

Lente s’<0 s’>0

Espejo s’>0 s’<0

Instrumentos ópticos

Sistemas de lentes y/o

espejos.Lupa: Una sola lente convergente.

El objeto se coloca entre el foco y

la lente. Imagen virtual, derecha y

mayor que el objeto.

Cámara fotográfica: Consiste en

una cámara oscura con una lente

convergente móvil. El objeto está

más alejado que el foco. Imagen

real, invertida y menor que el objeto.

La lente (objetivo) se mueve hasta

que la imagen se forme justo en la

película (enfoque).

Anteojos, telescopios y

microscopioSistemas compuestos:

• Objetivo: puede ser lente (refractor) o espejo (reflector).

• Ocular: siempre es una lente.

Aumentan el ángulo de rayos que provienen de distancias

muy lejanas.

• Anteojo astronómico: Posee dos lentes convergentes.

Imagen virtual (en el ∞), invertida y mayor que el objeto.

• Anteojo de Galileo: El ocular es una lente divergente.

Imagen virtual (en el ∞), derecha y mayor que el objeto.

• Telescopio reflector: El objetivo es un espejo cóncavo.

• Microscopio: Objetivo y ocular convergentes. Imagen

virtual, invertida y mayor que el objeto.