òPtica 1

ÒPTICA

1. LA NATURALESA DE LA LLUM

Les teories antigues

La teoria dels efluvis

• OBJECTES

EFLUVI

La llum és una entitat Independent de l’ull

La llum procedeix del Sol, o dels cossos calents, i els objectes la reflecteixen per la qual cosa és possible veure’ls.Ibn al-Haythan (965-1040)

L’inici de l’òptica moderna

Fets experimentals Divulgació de les lleis de

reflexió i refracció. Determinació de la rapidesa

de la llum. Comprovació de la natura

composta de la llum. Desenvolupament

d’instruments òptics: telescopi i microscopi.

Referents teòrics

Model corpuscular.

Model ondulatori

La llum és una entitat física independent del focus i de l’ull

Determinació de la rapidesa de la llum

Mètode astronòmic Observació del període d’una lluna de Júpiter

Olaff Römer (1644, 1710)

Diferents mètodes de mesurar la rapidesa de la llum

Verificació de la rapidesa de la llumConseqüències de la rapidesa de la llum

Dos teories diferents per explicar la llum

Christian Hygens1629 - 1695Isaac Newton

1642-1727

Predomini inicial de la teoria corpuscular

Motius de l’acceptació inicial de model corpuscular:

L’explicació del color. Per a Newton la llum és un conjunt de corpuscles amb diferent disposició per originar una sensació de color.

La no confirmació dels fenòmens pròpiament ondulatoris: interferències i difraccions.

El criteri d’autoritat, el fet de ser la teoria defensada per Isaac Newton (considera “la llum de la física”)

¿EXPERIMENTUM CRUCIS?

Determinació de la rapidesa de la llum en un medi transparent

Mètode de Léon Foucault (1862)Resultats empírics:•

Rapidesa de la llum en l’aire= 300.000 km/s

Rapidesa de la llum en l’aigua= 226.000 Km/s

CONSOLIDACIÓ DEL MODEL ONDULATORI

Fets empírics Referent teòric• La natura electromagnètica

de la llum.

Thomas Young

Verificació dels fenòmens d’interferència i difracció de la llum.

James C. Maxwell(1831-1879)

La llum una ona electromagnètica

Dos tipus d’ones: mecàniques i electromagnètiques

La revolució quàntica

La hipòtesi quàntica

La naturalesa dual de la llum

Estructuració de l’òptica

Representació Referència Avantatge

Raig Simplificar l’estudi de propagació de la llum.

Ona Explicar els fenòmens d’interferència, difracció i color.

Corpuscles Analitzar la interacció de la llum amb els àtoms de la matèria

2. LES CARACTERÍSTIQUES DE LA LLUM

L’ORIGEN

• Fonts primàries: cossos capaços de transformar energia en radiació visible.

• Fonts secundàries: cossos capaços de remetre part de la llum incident.

PROCÉS DE PROPAGACIÓ

• Les fonts lluminoses emeten llum en totes les direccions.

• La llum sembla propagar-se en línea recta. Formació d’ombres i penombres.

• Representació de cadascuna de les direccions pel concepte teòric de “raig”.

Velocitat de propagació

• Velocitat de propagació en un medi transparent i homogeni és uniforme.

• La rapidesa és màxima en el buit ( c).

• Cada medi es caracteritza per l’índex de refracció (n).

1vnmedi

medi

c

NATURA COMPOSTA DE LA LLUM

• Llum integrada per un conjunt continu de radiacions compreses entre longituds d’ona de 400 nm fins a 700 nm.

3. La interacció de la llum amb una superfície

Reflexió

Diferenciant reflexions

Especular Difusa

Refracció

Anàlisi de la refracció

Mètode geomètric per representar les direccions dels raigs

Possibilitats

n1 n2 n1 n2

Visualització del fenomen derefracció - reflexió de la llum

Interpretació del fenomen de refracció – reflexió de la llum

Reflexió total

Absorció

Comparació: reflexió, refracció i absorció

4 LÀMINES PLANO PARAL·LELES

• Làmina plano paral·lela: medi transparent (n làmina) limitat per dues superfícies paral·leles.

• Condició per travessar la llum la làmina: dues refraccions.

• Si n medi 1 = n medi 2, es produeix un desplaçament lateral del raig de llum incident.

CÀLCUL DEL DESPLAÇAMENT LATERAL

Procediment: Determinar la trajectòria del raig

mitjançant els càlculs dels angles, respecte a la normal, en cadascuna de les cares de la làmina.

Càlcul de la distància recorreguda la llum per l’interior de la làmina (AB) utilitzant el triangle ACB:

Determinació del desplaçament (d = AD) lateral utilitzant el triangle ADB:

Càlcul:

DEMOSTRACIÓ

• Si n1 = n3:

• Si n1 ≠ n3:

ANÀLISIS DELS FACTORS QUE INFLUEIXEN EN EL DESPLAÇAMENT LATERAL

CONCLUSIONS:

Diagrama Procediment Determinació de la distància

AB. Referència triangle ABC.

Càlcul del desplaçament. Referència triangle ADB.

Determinació de l’angle de refracció.

• Càlcul dels angles d’incidència i refracció.

Implicació: Conseqüència:

• Determinació de la distància recorreguda pel interior de la làmina:

• Càlcul del desplaçament lateral:

UN CAS DE PROPAGACIÓ DE LA LLUM D’ESPECIAL INTERÈS: LA FIBRA ÒPTICA

La llum es propaga atrapada per l’interior d’un tub, la fibra òptica.

Fonament del procés:

Reflexió total

• Condicions:

http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/cortial/bibliohtml/fibrst_j.htmlhttp://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/cortial/bibliohtml/optgeom.html

nn entornfibra

i límiti ˆˆ

APLICACIÓ DE LA FIBRA ÒPTICA

EndoscòpiaExploracions- obtenció de mostres - cirurgia ....

DIFERENTS LÀMINES

Primera refracció

Segona refracció Reflexió total

Ordena els següents medis en funció de l'índex de refracció creixent

PRISMA

• prisma es un medi transparent, d’índex nprisma, limitat per dues superfícies planes que formen entre sí un angle díedre (θ), anomenat angle de refrigerància.

PRISMA (Desviació angular)

PRISMA (Reflexió total)

PRISMA (DISPERSIÓ)

L’ARC DE SANT MARTÍ

Observacions:Apareix quan l’aire té gotes d’aigua en suspensió.Llum solar sempre ha d’estar d’esquena a l’observador.Té forma d’arc de circumferència.Presenta gama continua de colors, del violeta al roig (espectre continu).Possible, de vegades, observar un segon arc: de major radi, paral·lel i de seqüència de colors invertida.Zona entre dos arc, primari i secundari, és menys lluminosa.

L’ARC DE SANT MARTÍ

• Interpretació:• L’arc es forma per ser l’angle

d’observació sempre constant (primari, 42º y secundari 52º).

• L’arc primari origina per rajos efectius que arriben a l’ull després de realitzar, dins de cada gota, dues refraccions i una reflexió (secundari dues refraccions i dues reflexions).

• Els colors són originats per la dispersió de la llum blanca al travessar la gota d’aigua (actua com prisma).