LA LUZ

- Concepto - Características

- Propagación

-Reflexión

- Concepto - Tipos - Leyes

- Espejos

- Concepto - Clases - Elementos - Formación de imágenes

- Refracción

- Concepto

- Índice de refracción - Concepto - Determinación

- Lentes

- Concepto - Clases - Elementos - Formación de imágenes

- Prisma óptico - Concepto - Dispersión de la luz

- La materia y la luz

- Cuerpos

- Opacos - Transparentes - Translúcidos

- El color - Por transmisión - Por reflexión

- Instrumentos ópticos

- De ampliación: - Lupa - Microscopio

- De aproximación: - Telescopio - Prismáticos

- De proyección: - Proyector - Cámara fotográfica

LA LUZ: La luz es una de las formas de energía que consiste en la radiación (propagación en el vacío) de ondas electromagnéticas. La longitud de onda determina la frecuencia y la energía, dando lugar al espectro electromagnético. A menor longitud de

onda corresponde mayor frecuencia y, por tanto, mayor energía.

El ojo humano capta radiaciones electromagnéticas comprendidas entre 4·1014 Hz (color rojo) y 8·1014 Hz (color violeta). CUERPOS LUMINOSOS E ILUMINADOS Cuerpos luminosos son los que emiten luz. Las fuentes luminosas pueden ser:

- Naturales: el sol, los relámpagos. - Artificiales: una bombilla, una vela, una linterna, …

Cuerpos iluminados: son los que reciben la luz. Pueden ser: - Transparentes: dejan pasar la luz y las imágenes. - Translúcidos: dejan pasar la luz pero no las imágenes. - Opacos: No dejan pasar la luz ni las imágenes.

TEMA: LA LUZ

SOMBRA Y PENUMBRA El hecho de que la luz no pueda atravesar los cuerpos opacos da lugar a la formación de sombra y penumbra. En general si el foco de luz es muy pequeño o si es grande pero se encuentra muy alejado, caso del Sol, originará sombras nítidas. Si el foco de luz es grande y está próximo al objeto se forma som-bra en la zona donde no llegan los rayos procedentes del foco y se formará penumbra en la zona donde llegan los rayos procedentes de uno de los extremos del foco. PROPIEDADES DE LA LUZ

La luz se propaga en el vacío a 300.000 km/s.

La luz se propaga en línea recta y en todas las direcciones. - rayo: línea que representa la dirección y sentido de propagación de la luz. - haz: conjunto de rayos luminosos que proceden de un mismo punto de luz.

La luz se refleja (se desvía) al chocar con una superficie reflectante.

La luz se refracta (cambia de dirección) al pasar de un medio a otro de distinta densidad. REFLEXIÓN DE LA LUZ Es la desviación que experimentan los rayos de luz al chocar contra la superficie de un cuer-po. Leyes: - el rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en un mismo plano. - el ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión son iguales.

(normal: perpendicular a la superficie que pasa por el punto de incidencia) Clases: - especular o verdadera: la superficie es lisa - difusa: la superficie es rugosa y refleja los rayos en todas las direcciones. Este tipo de reflexión permite ver los objetos y sus formas. ESPEJOS Un espejo es una superficie pulimentada, lisa y opaca. Clases: - planos: la superficie pulimentada es plana. - esféricos: la superficie pulimentada es curva. Elementos: - centro de curvatura: centro de la circunferencia a la que pertenece el espejo. Todo rayo que pasa por el centro de curvatura sale reflejado por la misma dirección. - foco: punto medio entre el centro de curvatura y el espejo. Todo rayo paralelo al eje principal sale reflejado por el foco. Clases: - cóncavos: la superficie reflectante es entrante. - convexos: la superficie reflectante es saliente. ESPEJO PLANO ESPEJO CÓNCAVO ESPEJO CONVEXO ELEMENTOS DE UN ESPEJO PLANO ELEMENTOS ESPEJOS ESFÉRICOS

FORMACIÓN DE IMÁGENES EN LOS ESPEJOS PLANOS Para formar la imagen de un punto, en un espejo plano, trazamos dos rayos:

- uno perpendicular al espejo: sale reflejado por la misma dirección y sentido contrario.

- otro que al incidir en el espejo sale reflejado según el valor del án-gulo de reflexión (que debe ser igual al ángulo de incidencia, según las leyes de la reflexión)

Como estos rayos reflejados no se cortan realmente, los prolongamos en senti-do contrario. El punto donde se corten nos dará la imagen.

FORMACIÓN DE IMÁGENES EN LOS ESPEJOS ESFÉRI-COS Para formar imágenes en los espejos esféricos se trazan dos rayos: + uno paralelo al eje principal, sale reflejado por el foco. + otro que pase por el centro de curvatura, no se desvía. + la imagen se formará donde se corten estos dos rayos (imagen real) o sus prolongaciones (imagen virtual). + las características de la imagen dependen del tipo de espejo y de la posición del objeto.

La imagen en un espejo plano es: + derecha + igual + virtual: para formar la imagen hay que prolongar los rayos en sentido

contrario, no se puede recoger en una pantalla + simétrica respecto del espejo

espejo

REFRACCIÓN DE LA LUZ Es la desviación que experimentan los rayos de luz al pasar de un medio a otro en el que se propaga a distinta velocidad.

Índice de refracción: Es la relación entre la velocidad de propagación de la luz en el vacío y la velocidad de propagación en un medio determinado.

n = índice de refracción c = velocidad de la luz en el vacío v = velocidad de la luz en el medio Leyes de la refracción: + El rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en un mismo Plano. + Si el rayo incidente pasa de un medio menos refringente (menos denso) a otro más refrin-gente (más denso) el rayo refractado se acerca a la normal y viceversa.

Ángulo límite y reflexión total Si el ángulo de incidencia va aumentando, llegará un momento en que el de refracción valdrá 90º. A partir de ese momento, el rayo incidente no se refracta, es decir, son pasa al otro medio, sino que se refleja en el suyo propio. A este fenómeno se le llama refle-xión total. Ángulo límite: es el valor que tiene el ángulo de incidencia cuando el de refracción es de 90º. En este caso el rayo refractado coincide con la línea de separación de ambos me-dios.

LENTES Cuerpos refringentes formados por dos caras de las cuales una, al menos, es curva.

Elementos: - Eje óptico: Línea perpendicular al punto medio de la lente. - Foco: punto que indica la dirección de los rayos refractados cuando el rayo

incidente es paralelo al eje principal. - Centro óptico: Centro geométrico de la lente.

Clases: - Convergentes: - Tienden a aproximar los rayos al eje óptico. Lente convergente - Son más gruesas en el centro que en los extremos.

- Divergentes: - Tienden a separar los rayos del eje óptico. - Son más gruesas en los extremos que en el centro.

CLASES DE LENTES Lente divergente

v

cn

FORMACIÓN DE IMÁGENES EN LAS LENTES Para formar imágenes en las lentes se trazan dos rayos: + el primero paralelo al eje principal, sale refractado por el foco. + el segundo pasa por el centro óptico, no se desvía. + la imagen se formará donde se corten estos dos rayos (imagen real) o sus prolongaciones (imagen virtual). + las características de la imagen dependen del tipo de lente y de la posición del objeto.

Lentes

PRISMA ÓPTICO: Cuerpo refringente formado por cara planas que se cortan (no paralelas)

DISPERSIÓN DE LA LUZ Es la descomposición de la luz blanca en los colores del arco iris, separados, según su índice de refracción, desde el rojo al violeta (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, violeta).

LA MATERIA Y LA LUZ Según su comportamiento ante la luz los cuerpos pueden ser: a) Opacos: no permiten que la luz los atraviese absorbiéndola o reflejándola. No dejan pasar la luz ni las imágenes. Pueden producir:

- sombra: si el foco de luz muy pequeño o alejado del objeto opaco. - penumbra: si el foco de luz es grande o está cerca del objeto opaco.

- eclipses: si el objeto opaco impide ver el foco de luz b) Transparentes: Permiten que la luz se propague en su interior sin cambiar de dirección. Dejan pasar la luz pero no las imá-

genes. c) Absorben o reflejan parcialmente la luz y permiten que se propague parte de ella, pero la difunden en distintas direccio-

nes. Dejan pasar la luz pero no las imágenes. EL COLOR DE LOS OBJETOS: Depende de su naturaleza: + color por reflexión: los cuerpos opacos absorben todos los colores menos uno que al ser reflejado es percibido + color por transmisión: los cuerpos transparentes absorben todos los colores menos uno que al atravesarlo da color al mate-

rial transparente INSTRUMENTOS ÓPTICOS A. INSTRUMENTOS ÓPTICOS DE AMPLIACIÓN:

- LA LUPA

La lupa, o microscopio simple, está formada por una lente convexa de corta distancia focal, que desvía la luz incidente de modo que cuando el objeto se coloca entre el foco y la lente se forma una imagen virtual, derecha y mayor.

- EL MICROSCOPIO Consta de dos lentes L (ocular) y L1 (objetivo) que están colocadas en los extremos de un tubo (tubo ocular u óptico) sujeto a un soporte (pie), lleva también una pla-tina (para colocar los objetos que se van a observar), un espejo cóncavo (conden-sador) que ilumina intensamente el campo de visión del microscopio, el brazo pa-ra transportarlo, donde se encuentran los tornillos macrométrico y micrométrico que nos permiten enfocar y ver los objetos con nitidez. El microscopio suele tener varias lentes objetivo que giran (revólver) para ver los objetos a distintos aumen-tos. La primera de las lentes (objetivo) da lugar a una imagen real A´B´ dentro de la dis-tancia focal de una segunda lente (ocular) que origina otra imagen A´´B´´ virtual y muy ampliada que es la que nosotros observamos. El objeto AB debe colocarse fuera de la distancia focal del objetivo, pero lo más cerca posible del foco y que la imagen real obtenida caiga dentro de la distancia focal del ocular

B. INSTRUMENTOS ÓPTICOS DE APROXIMACIÓN

- TELESCOPIOS ASTRONÓMICOS REFRACTORES

Es un instrumento que tiene la función de recoger la luz prove-niente de un objeto lejano y ampliarlo. Gracias a estos requisitos el telescopio se ha convertido, a partir de comienzos del siglo XVII, en el artífice de la astronomía moderna. El descubrimiento del telescopio es atribuido, casi contemporá-neamente, al holandés Hans Lippershey y a Galileo Galilei en 1609 Un telescopio, además de la evidente ventaja de agrandar los objetos, revela cuerpos celestes de débil luminosidad y por lo tanto invisibles a simple vista, gracias a que su objetivo es capaz de percibir más luz que nuestro ojo. En términos generales es válida la regla de que cuanto mayor es el diámetro del objetivo (y por lo tanto su superficie), mayor es la cantidad de luz que capta. Además, siempre del diámetro del objetivo de un telescopio (que se suele definir más brevemente apertura de un telescopio) depende el poder de resolución del ins-trumento. Según podemos observar en el esquema del telescopio astronómico la imagen es virtual, mayor e invertida. Para observar el firma-mento no tiene demasiada importancia que la imagen sea invertida.

- TELESCOPIOS ASTRONÓMICOS REFLECTO-RES

Dado que con el telescopio observamos obje-tos lejanos, que no es posible iluminar, de-bemos recurrir a otra solución: aumentar el diámetro del objetivo, con lo que se aumenta la cantidad de luz que recibe el instrumento. Sin embargo es difícil fabricar lentes muy grandes sin aberraciones (imágenes borro-sas); además, se plantean serios problemas mecánicos a la hora de sujetar y soportar len-tes muy grandes por los bordes. Por todo ello, los telescopios reflectores utilizan un espejo cóncavo en lugar de una lente como objetivo (el espejo no produce aberración cromática, pesa bastante menos y puede sujetarse en toda su superficie trasera).

Formación de imágenes en el microscopio óptico

- TELESCOPIO TERRESTRE

A diferencia del astronómico lleva una tercera lente intercalada, llamada vehículo, que invierte la imagen para poder verla derecha.

- PRISMÁTICOS Los prismáticos, comúnmente denominados binoculares, son un instrumento óptico usado para ampliar la imagen de los objetos distantes observados, al igual que el telescopio, pero a diferencia de éste, provoca el efecto de estereoscopía en la imagen (recoger información visual tridimensional y/o crear el efecto de profundidad) y por eso es más cómodo apreciar la distan-cia entre objetos distantes y seguirlos en movimiento. Los prismáticos poseen un par de tubos. Cada tubo contiene una serie de lentes y unos prismas (prismas de porro), que amplía la imagen para cada ojo y eso produce la estereoscopía. Los prismáticos son dos anteojos, uno para cada ojo, que resuelven el problema de la imagen invertida dada por el te-lescopio realizando la inversión de la misma con dos prismas de reflexión to-tal

C. INSTRUMENTOS ÓPTICOS DE PROYECCIÓN

- CÁMARA FOTOGRÁFICA Esencialmente es una cámara oscura provista de una lente convergente (objetivo), que forma una imagen real, invertida y más pequeña sobre la película.

- PROYECTOR Básicamente consta de un sistema de iluminación forma-do por un foco luminoso, un espejo cóncavo (reflector) y una lente convergente que actúa como condensador y de un sistema de proyección compuesto por una lente con-vergente y una pantalla donde se proyectará la imagen real, invertida y de mayor tamaño que el objeto (diapositi-va, película, …)

CUESTIONES Y PROBLEMAS

CUESTIONES 1. ¿Qué es la luz? ¿A qué velocidad se propaga en el vacío? 2. Haz un gráfico en el que a partir de un foco de luz cercano a un objeto esférico proyecta los rayos de luz en una panta-

lla, señala la zona de sombra y de penumbra. 3. ¿Qué condiciones ha de cumplir un objeto para que se produzca el fenómeno de la reflexión al incidir un rayo de luz

sobre él? 4. ¿Qué sucede al chocar los rayos de luz contra las partículas de la materia que atraviesa? 5. ¿Qué entiendes por reflexión de un rayo de luz? ¿cuáles son sus elementos? Haz un dibujo esquemático poniendo

nombres. 6. ¿Qué son los espejos? ¿Cómo se clasifican? 7. Obtén gráficamente la imagen de un punto y de un vector en un espejo plano. ¿Qué características tienen las imágenes

obtenidas? 8. ¿Cómo averiguarías si un espejo esférico es cóncavo o convexo sin tocarlo? 9. ¿Cómo es la imagen de una flecha que está situada entre el centro de curvatura y el foco de un espejo cóncavo? 10. Dibuja un espejo cóncavo y sitúa adecuadamente sus elementos principales poniendo nombres. 11. ¿En qué consiste el fenómeno de la refracción? 12. Escribe las leyes de la refracción. 13. ¿Qué tienen en común la reflexión y la refracción? ¿En qué se diferencian’ 14. La velocidad de la luz en los medios materiales es siempre menor que en el vacío ¿por qué? 15. ¿Cuál es la causa de que la velocidad de la luz es dos medios transparentes distintos sea diferente? 16. ¿Cuál es la causa del cambio de dirección que experimenta la luz al pasar de un medio transparente a otro? 17. Sabiendo que el agua es más refringente que el aire ¿el rayo refractado se acercará o se alejará de la normal al pasar un

rayo de luz del agua al aire? 18. ¿En qué consiste el fenómeno de la reflexión total? 19. El aire es menos refringente que el agua. Con este dato di si se puede producir el fenómeno de la reflexión total cuando

la luz pasa del aire al agua ¿por qué? 20. Un cocodrilo quiera apresar a un animal que está bebiendo al borde del agua. Para aproximarse sin ser visto ¿debe na-

dar por la superficie o por debajo de agua?

PROBLEMAS 1. Si el Sol se encuentra a una distancia de 149.600.000 km de la Tierra ¿cuánto tardará en chocar con la superficie te-

rrestre un rayo de luz solar? 2. Te encuentras a dos metros de un espejo plano ¿a qué distancia del espejo se formará tu imagen si te acercas 1,25 m.

hacia el espejo? 3. Dibuja la imagen de un triángulo en un espejo plano. 4. Si la distancia que hay entre un objeto y su imagen en un espejo plano es 1,60 m. Calcula la distancia que hay entre la

imagen y el espejo. 5. La distancia entre el centro de curvatura y el centro de la figura de un espejo es de 3 cm. ¿cuál es la distancia focal?

¿por qué? 6. ¿Podemos ver nuestra imagen aumentada en un espejo convexo? Demuéstralo con un diagrama de rayos 7. Dibuja la imagen de un lapicero que veríamos en un espejo cóncavo cuando se encuentra: 8. más lejos que el centro de curvatura del espejo 9. entre el centro de curvatura y el foco 10. dentro de la distancia focal 11. Deduce la situación de un objeto respecto a un espejo cóncavo si la imagen que forma es derecha y de tamaño cuatro

veces mayor que el objeto. 12. ¿Cómo podrás averiguar la distancia focal de un espejo cóncavo? 13. Si el valor del ángulo límite de una sustancia es de 43º ¿cuánto vale el ángulo de incidencia y el de refracción, sabiendo

que se produce reflexión total. 14. Un rayo láser pasa del aire a un medio transparente con un ángulo de incidencia de 30º , en el que se propaga con

menor velocidad. A continuación, después de atravesar el medio vuelve a salir al aire. Dibuja la trayectoria y pon los nombres de los elementos que intervienen.

15. Dibuja la imagen de un vector en una lente biconvexa cuando esté situado a: 16. una distancia mayor que el foco 17. en el mismo foco 18. dentro de la distancia focal 19. Dibuja la imagen de un objeto de 2 cm de altura vista a través de una lente biconvexa cuyo foco está a 6 cm, si el obje-

to está a 10 cm ¿Qué tamaño tiene la imagen formada? 20. ¿Pueden verse invertidas las imágenes con una lente bicóncava? Haz un gráfico para justificar tu respuesta.