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La Naturaleza de La Luz
La Naturaleza de La Luz
Teorías sobre la naturaleza de la luz
Hasta mediados del siglo XVII, se creía que la luz estaba formada por corpúsculos emitidos por los focos luminosos – tales como el sol o la llama de una vela – que viajaban en línea recta y atravesaban los objetos transparentes pero no los opacos, excitando el sentido de la vista al penetrar en el ojo.
Alrededor de esa fecha, sin embargo, empezó a abrirse paso la teoría de que la luz obedecía, en realidad, a algún tipo de fenómeno ondulatorio.
En efecto, Christian Huygens demostró, en 1660, que las leyes de la óptica podían explicarse basándose en la suposición de que la luz tenía naturaleza ondulatoria. En aquel momento, la teoría ondulatoria de la luz no fue aceptada, fundamentalmente por el apoyo de Newton a la teoría corpuscular. Dado el enorme prestigio del que gozaba Newton, la teoría de Christian Huygens fue ignorada por la comunidad científica.
Casi un siglo y medio después, en 1827, los experimentos de Thomas Young y Augustin Fresnel sobre interferencia y difracción, y otras experiencias posteriores de Leon Foucault, sobre medidas de velocidad de la luz en el seno de líquidos, pusieron en evidencia que la teoría corpuscular era poco apropiada para explicar determinados fenómenos ópticos.
En 1873, los experimentos de James Clerk Maxwell permitieron demostrar que la velocidad de las ondas electromagnéticas era sensiblemente igual a la de la luz; de ello se dedujo que la naturaleza de esta última debía ser la misma que la de las ondas electromagnéticas de frecuencia extremadamente corta. Esta teoría fue verificada en los experimentos realizados por Hetz en 1888. Como consecuencia de los hallazgos descritos, a finales del siglo XIX, los científicos creyeron estar en posesión de un conocimiento completo sobre la naturaleza de la luz. Sin embargo, el desarrollo posterior de la ciencia demostraría que esta pretensión era incorrecta.
La teoría electromagnética clásica no podía explicar la emisión de electrones por parte de un conductor cuando se produce incidencia de luz sobre su superficie, fenómeno que se conoce como efecto fotoeléctrico. Este efecto fue explicado en 1905 por Albert Einstein quien, fundándose en una idea propuesta anteriormente por Planck, postuló que la energía de un haz luminoso se hallaba concentrada en pequeños paquetes o fotones. Aun así, el fotón tenía una frecuencia, y su energía era proporcional a ella. El mecanismo del efecto fotoeléctrico consistiría en la transmisión de energía de un fotón a un electrón.
Los experimentos de Millikan demostraron que la energía cinética de los fotoelectrones coincidía exactamente con los valores obtenidos mediante la fórmula de Einstein.
Clasificación de los cuerpos según la optica
Desde el punto de vista del comportamiento que tienen los cuerpos frente a la luz, podemos distinguir:
Cuerpo transparente: Es aquel cuerpo que deja pasar la luz a través de su masa y permite ver los objetos que hay detrás de él. Por ejemplo, el aire, agua, algunos plásticos, etc.
Cuerpo traslúcido: Es aquel que deja pasar la luz, pero no permite el reconocimiento de los objetos que hay detrás de el. Por ejemplo, el vidrio empavonado, papel, algunos plásticos, etc.
Cuerpo opaco: Es aquel que no deja pasar la luz, porque la absorbe o la refleja. Por ejemplo, la madera, metales, cemento, etc.
No obstante, cabe señalar que la distinción entre cuerpos transparentes, opacos y translúcidos depende de su espesor. Piénsese, por ejemplo, en el agua; para espesores pequeños se comporta como un medio transparente, mientras que en espesores mayores, como en el mar, no es posible ver nítidamente los objetos. Ello se debe a que los medios materiales, incluidos los transparentes, absorben parte de la luz que reciben.Propagación de la luz
La luz que proviene de fuentes luminosas naturales o artificiales (Sol, relámpagos, velas incandescentes, etc.) y que se propaga en medios homogéneos (idénticas propiedades en todos sus puntos) e isótropos (idénticas propiedades en todas direcciones), se desplaza en línea recta, de acuerdo al primer postulado de óptica geométrica, es decir, la luz se desplaza rectilínea e independientemente de su naturaleza y velocidad.
Una consecuencia directa de esta propagación, es la formación de sombras y penumbras, las cuales dependen del tipo de fuente luminosa.
En general, una fuente luminosa constituye un cuerpo que emite o refleja radiaciones capaces de estimular al órgano de la visión. Por ejemplo, metales a altas temperaturas, relámpagos, estrellas, etc. Lo anterior permite clasificar las fuentes luminosas en: puntuales y extensas.
· Sombra: Se produce cuando la luz proviene de una fuente luminosa (puntual o extensa) y choca con un cuerpo opaco, generando un espacio privado de luz inmediatamente detrás de dicho cuerpo.
· Penumbra: Se produce cuando la luz proviene de una fuente luminosa extensa y choca con un cuerpo opaco, generando una sombra total o pura llamada umbra, y una zona parcial o difusa, denominada penumbra.Eclipses y Fases de la Luna
Los eclipses son consecuencia directa de la propagación rectilínea de la luz. Los eclipses de Sol se producen cuando la Luna se interpone entre el Sol y la Tierra (queda eclipsado el Sol). Los eclipses de Luna se producen cuando la Tierra se interpone entre la Luna y el Sol.Fases de la luna: Las fases de la luna son las diferentes iluminaciones que presenta nuestro satélite en el curso de un mes.
La órbita de la tierra forma un ángulo de 5º con la órbita de la luna, de manera que cuando la luna se encuentra entre el Sol y la Tierra, uno de sus hemisferios, el que nosotros vemos, queda en la zona oscura, y por lo tanto, invisible a nuestra vista (luna nueva o novilunio). A medida que la luna sigue su movimiento de traslación, va creciendo la superficie iluminada visible desde la tierra, hasta que esta alcanza la primera mitad de su hemisferio; esta fase se denomina cuarto creciente. Luego, cuando todo el hemisferio está iluminado, recibe el nombre de luna llena o plenilunio. Posteriormente, la superficie iluminada empieza a decrecer o menguar hasta la mitad; es el cuarto menguante. Finamente, vuelve a su posición inicial y desaparece completamente de nuestra vista, para recomenzar un nuevo ciclo.
Velocidad de la Luz
Durante mucho tiempo, se creyó que la Luz se propagaba en forma instantánea. Galileo intentó medir la velocidad de la luz con un método similar al empleado en la medición de la velocidad del sonido, pero sin éxito alguno. En 1675, el astrónomo holandés Olaf Roemer (1644-1710) logró dar una respuesta a este problema.
Roemer advirtió que los momentos previstos en las tablas astronómicas para la desaparición de los satélites de Júpiter detrás de ese planeta, se anticipaban o retrasaban con respecto a sus mediciones, según Júpiter estuviera más cerca o más lejos de la Tierra. Roemer dedujo que dicha anomalía podía atribuirse a que la luz tiene velocidad finita y por lo tanto, emplea menos tiempo en llegar a nosotros cuando Júpiter está más próximo, y viceversa.
En aquella época, no se conocían en forma exacta las distancias planetarias; por lo que el valor de la velocidad de la luz calculado por Roemer fue relativamente impreciso. Sin embargo, su trabajo tuvo el gran mérito de demostrar que le velocidad de la luz es una cantidad finita.
Sucesivas determinaciones, tanto a través de métodos astronómicos como terrestres (en laboratorio), han llevado al descubrimiento de un valor de la velocidad de la luz en el vacío, que es de c=299.792, 458 km/seg. (Alrededor de mil millones de kilómetros por hora).
Para efectos prácticos del cálculo, se utiliza el valor de c=300.000 km/seg.• Índice de refracción
La velocidad de la luz varía al pasar de un medio de propagación a otro, alcanzando su mayor valor en el vacío.Lo anterior, permite definir el índice de refracción absoluto “n” de un medio transparente como cociente entre la velocidad de la luz en el vacío “c” y la velocidad que tiene la luz en ese medio “v”. El valor de “n” es siempre adimensional y mayor que la unidad y es una constante característica de cada medio:
• Principio de Fermat
De este modo, en un mismo medio, la luz viaja en línea recta, porque como la velocidad es constante, el tiempo mínimo se logra con una distancia mínima, correspondiente a la recta entre dos puntos.
En cambio, en la reflexión, en que es necesario desplazarse de un punto “A” a otro “B”, siguiendo distintos caminos rectos, el menor tiempo de recorrido se logrará eligiendo una trayectoria en que el ángulo de incidencia sea igual al de reflexión.
En la refracción, por su parte, si se debe ir, por ejemplo, de un punto “A” situado en un medio donde el desplazamiento es muy rápido, a otro punto “B”, ubicado en un medio distinto, en el que la velocidad de desplazamiento resulta muy lenta, será más favorable, para llegar antes, recorrer un tramo más largo en el medio que permite mayor rapidez, reduciendo el espacio de recorrido en el medio más lento. Una situación similar es la que enfrenta un automovilista cuando para ir de un sitio a otro, prefiere tomar una autopista, aunque le signifique un pequeño rodeo, que una carretera de tierra y piedras que vaya recta; de este modo, si bien en la autopista el trayecto será más largo, el tiempo de recorrido será menor.
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Reflexión de La Luz
Reflexión de La Luz
• Leyes de la reflexión
Espejos
• Consideraciones sobre los rayos en espejos esféricos
Construcción geométrica de imágenes en espejos cóncavos:
· Imagen de un objeto situado entre el infinito y el centro geométrico Fig. (1).
Se obtiene una imagen real, invertida y de menor tamaño que el objeto.
Imagen de un objeto situado dentro de la distancia focal Fig. (3).
Se obtiene una imagen virtual, derecha y de mayor tamaño que el objeto, ubicada tras el espejo.
Los espejos cóncavos se utilizan en faros reflectores (el foco luminoso se ubica en el foco del espejo), en espejos de maquillaje, etc.
Imágenes en espejos convexos:
En este tipo de espejos Fig. (4), con independencia de la posición del objeto, se generan imágenes virtuales, derechas, de menor tamaño y situadas entre el foco y el espejo. El tamaño de la imagen aumenta en la medida que el objeto se acerca al espejo. Su ventaja radica en el mayor campo visual que proporcionan. Se utilizan, por ejemplo, en los espejos retrovisores de los vehículos.La localización de la imagen en espejos esféricos depende de la posición del objeto y de la distancia focal del espejo. Similarmente, el tamaño de la imagen depende de la altura y ubicación del objeto:
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Refracción de La Luz
Refracción de La Luz
• Ángulo límite y reflexión total
• Fenómenos asociados a la reflexión total
• Lentes
• Elementos de una lente
• Construcción geométrica de las lentes
Interferencia
Hacia principios del año 1827, Thomas Young logró demostrar que en condiciones especiales, los haces luminosos, considerados como la propagación de ondas de muy pequeña longitud, pueden anularse o reforzarse entre sí, produciendo bandas alternativas de luz u oscuridad perfectamente identificables, lo que constituyó una prueba irrefutable de la naturaleza ondulatoria de la luz.
Para producir fenómenos de interferencia, se necesitan trenes de onda coherentes, esto es, ondas cuyos puntos abandonen siempre en fase sus respectivos puntos de partida (sería sumamente difícil de conseguir con manantiales separados). Es por ello que, para la observación del mencionado fenómeno, se suele utilizar una única fuente de luz que será la generadora de ondas coherentes, tal como sucede en la experiencia de Young.
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Difracción de La Luz
Difracción de La Luz
Difracción de La Luz
Por ejemplo, los surcos de un disco compacto se constituyen en una rejilla de difracción. La luz blanca, reflejada desde las regiones entre los surcos, interfiere constructivamente solo en ciertas direcciones, que dependen de la longitud de onda y de la dirección de la luz incidente. Eso hace que la superficie del CD tenga una apariencia multicolor.
Para acentuar la difracción de una onda se requiere:
· Aumentar su longitud de onda.
· Disminuir el tamaño del orificio o la separación de las hendijas
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Descomposición de La Luz
Descomposición de La Luz
Descomposición de La Luz
Newton fue uno de los primeros en realizar un estudio acabado acerca de los colores. Haciendo pasar un haz angosto de luz solar por un prisma de vidrio, pudo constatar que la luz del Sol es una mezcla de todos los colores del arcoiris. Newton llamó espectro a dicha banda de colores, que paulatinamente pasan del rojo al violeta (rojo – naranja – amarillo – verde – azul – violeta). Lo anterior nos indica que la luz blanca es policromática, pues está constituida por una serie de colores con distintas longitudes de onda, y los rayos que la constituyen poseen distintas velocidades de propagación, debido a que el prisma presenta un índice de refracción diferente para cada frecuencia, siendo los rojos más veloces y los violetas más lentos.
Posteriormente, Newton mostró que los colores obtenidos en el espectro no eran propiedad del prisma, sino que de la luz blanca misma; esto quedó en evidencia al combinar nuevamente el espectro con un segundo prisma, resultando la luz blanca.
Espectros de red: Llamados también de difracción. Constituyen redes que pasan a desempeñar el rol de ranuras muy estrechas, comportándose como centros emisores de radiación de acuerdo al principio de Huyghens. Estos permite generar una serie de espectros, en cuyo centro se aprecia el blanco. Además, es posible observar que el rojo es el color que más se desvía y el color violeta el que menos lo hace. (los colores de mayor longitud de onda se desvían más).
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Polarización de La Luz
Polarización de La Luz
Es un fenómeno descubierto por el holandés Huygens y es observable solo en ondas de tipo transversal (ondas luminosas, ondas de radio y en general en las ondas electromagnéticas).
La polarización puede conseguirse por reflexión o por refracción de los rayos luminosos, por lo que la luz polarizada solo puede reflejarse o difractarse en determinadas direcciones.
Diversos son los usos de la polarización, entre lo que pueden destacarse los vidrios polarizados en automóviles, para evitar “encandilarse” con las luces altas que reflejan otros vehículos, y los lentes con polaroide para manejar a pleno sol, etc.
• El ojo
Es el instrumento óptico más importante, parece una cámara fotográfica perfecta en forma de globo. Básicamente, está constituido por un complejo sistema de lentes en un extremo y una pantalla sensible o película fotográfica en el otro, denominada retina, donde se forman las imágenes reales e invertidas de los objetos que miramos.
El medio refractor del ojo está conformado por la córnea, el humor acuoso, el cristalino y el hel humor acuosoumor vítreo. Delante del cristalino se encuentra el iris, que corresponde a un diafragma, en cuyo centro hay una pequeña abertura denominada pupila, que tiene la función de regular la luz que entra al ojo.
Defectos de la visión: Estos pueden asociarse a defectos en la convergencia y acomodación:
• Defectos de convergencia
Miopía: Consiste en un error del enfoque visual que dificulta la visión de los objetos lejanos, de manera que se ven borrosos mientras que la visión cercana es correcta.
La miopía se produce, porque la imagen visual no se enfoca directamente en la retina, sino delante de ella. Este trastorno puede producirse porque el
ojo es demasiado alargado o porque el cristalino tiene una distancia focal demasiado corta. La miopía se detecta mediante pruebas de agudeza visual y de refracción, y un examen profundo de la retina y los músculos del ojo.La visión de un ojo miope se mejora con el empleo de lentes divergentes. El foco de las lentes debe estar en el punto remoto.
Hipermetropía: Es un trastorno de refracción del ojo con alteración de la visión, que produce convergencia de los rayos de la luz en un punto detrás de la retina.
La persona hipermétrope tiene problemas de visión a distancias cortas, pudiendo ver con claridad a distancias largas. En una persona hipermétrope, la visión de objetos a distancias largas implica un cierto grado de tensión de los músculos ciliares para poder enfocar la imagen correctamente sobre la retina.En presencia de hipermetropía, la visión se mejora utilizando lentes convergentes. El foco de las lentes debe estar en el punto remoto, al igual que en el ojo miope.
Astigmatismo: Es un problema en la curvatura de la córnea, que impide el enfoque claro de los objetos cercanos y lejanos. Esto se debe a que la córnea, en vez de ser redonda,
se achata por los polos y aparecen distintos radios de curvatura en cada uno de los ejes principales. Por ello, cuando la luz incide a través de la córnea, se obtienen imágenes distorsionadas.La visión de un ojo astigmático se mejora con el empleo de lentes cilíndricas, orientadas convenientemente.
• De acomodación
Presbicia o vista cansada: Es un defecto o imperfección que consiste en la disminución de la capacidad de acomodación del ojo, por lo que los objetos situados cerca de él se ven con dificultad, conservándose bien la visión lejana. La causa es congénita, por alteración de los músculos de la acomodación. Con el paso de los años, se reduce la capacidad de adaptación del cristalino (pierde flexibilidad) y aumenta la distancia a la que se encuentra el punto próximo.
La visión se mejora utilizando lentes convergentes que suplen la acomodación defectuosa del ojo.
Estrabismo: Es la desviación del alineamiento de un ojo en relación al otro. Implica la falta de coordinación entre los músculos oculares. Impide fijar la mirada de ambos ojos en el mismo punto del espacio, lo que ocasiona una visión binocular incorrecta que puede afectar adversamente en la percepción de la profundidad.
Cuando el estrabismo es congénito o se desarrolla durante la infancia, puede causar ambliopía, dolencia en la cual el cerebro ignora la visión del ojo desviado, aunque este sea capaz de ver con normalidad.
Además del problema visual, este defecto se puede considerar un problema cosmético debido al aspecto del ojo desviado. Muchas veces el posible corregir el estrabismo con ejercicios musculares.
Autoevaluaciones
Pregunta Nº 8
Una lámpara emite luz amarilla de longitud de onda igual a 
.
Calcular:
a) Su frecuencia
b) Su período
c) el número de ondas emitido por la lámpara en un minuto
Usando la ecuación 
se tiene:
a) 
b) El periodo es el inverso de la frecuencia, luego: 
c) Como la frecuencia es el número de ondas emitidas por la lámpara en la unidad de tiempo, el número n de ondas emitidas en un tiempo t será igual al producto de la frecuencia por el tiempo, es decir:
Pregunta Nº 9
Un rayo de luz blanca incide desde el aire sobre una lámina de vidrio con un ángulo de 30º. ¿Qué ángulo formarán entre sí en el interior del vidrio, los rayos rojo y azul, componentes de la luz blanca si 
Un rayo de luz blanca incide desde el aire sobre una lámina de vidrio con un ángulo de 30º. ¿Qué ángulo formarán entre sí en el interior del vidrio, los rayos rojo y azul, componentes de la luz blanca si 
Ejercicios
Ejercicio Nº 3
Al hacer incidir en un cristal un haz de luz blanca proveniente del aire, como se ilustra en la figura, podemos afirmar, respecto a la propagación de la luz, que:
a) La velocidad de la luz disminuye
b) La velocidad de la luz aumenta
c) La luz se descompone, situándose el color violeta en ambos extremos laterales
d) La luz se descompone, situándose el color rojo en ambos extremos laterales.
e) La luz se descompone, situándose el color rojo en un extremo lateral y el violeta, en el otro.
Al incidir la luz perpendicularmente al plano del cristal o de cualquier otro medio, no experimenta desviación en su trayectoria ni descomposición, solo sigue propagándose en la misma dirección de incidencia, pero a una menor velocidad, por constituir el cristal un medio más refringente.
Respuesta correcta: Alternativa a
Ejercicio Nº 6
¿A qué distancia se forma la imagen de un objeto ubicado a 24cm de un espejo cóncavo, de distancia focal 6cm?:
a) 6cm
b) 8cm
c) 12cm
d) 24cm
e) 48cm
Respuesta correcta : Alternativa b.
Ejercicio Nº 8
Si el índice de refracción de un cuerpo transparente es de 1,5 significa que la luz se propaga en ese medio a una velocidad de:
(c=300.000Km/s)
a) 150.000Km/s
b) 200.000Km/s
c) 300.000Km/s
d) 450.000Km/s
e) Mientras no se indique el color de la luz, no se puede saber
El índice de refracción de la luz al pasar de un medio a otro esta dado por:
Respuesta correcta : Alternativa b