La Luz

Naturaleza de la luz

La luz incluye todo el campo de la radiación conocido como espectro electromagnético, mientras que la luz visible señala específicamente la radiación en el espectro visible.

La luz presenta una naturaleza compleja: según como la observemos veremos que se podrá manifestar como una onda o como una partícula. Estos dos estados no se excluyen, sino que son complementarios (dualidad onda partícula).

El estudio de la luz revela una serie de características y efectos al interactuar con la materia. Esto permite desarrollar algunas teorías sobre su naturaleza.

La velocidad de la luz en el vacío es . En la materia la velocidad de la luz es menor y depende de las propiedades del medio. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en un medio se denomina índice de refracción del medio:

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Óptica

Óptica Geométrica vs. Óptica Física

La óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones. La óptica geométrica usa la noción de rayo luminoso; es una aproximación del comportamiento que corresponde a las ondas electromagnéticas (la luz) cuando los objetos involucrados son de tamaño mucho mayor que la longitud de onda usada; ello permite despreciar los efectos derivados de la difracción, comportamiento ligado a la naturaleza ondulatoria de la luz. Una formulación alternativa es la de Fermat. Se utiliza en el estudio de la transmisión de la luz por medios homogéneos (lentes, espejos), la reflexión y la refracción.

Cuando los fenómenos ondulatorios comienzan a cobrar importancia, la óptica geométrica no puede explicar la difracción e interferencia, se requiere de la óptica

física, que considera a la luz como una onda transversal, teniendo en cuenta su frecuencia y longitud de onda.

La óptica geométrica se basa en el hecho de que la luz se propaga en línea recta desde su fuente y hasta cualquier objeto. La línea recta que representa la dirección y el sentido de la propagación de la luz se denomina rayo de luz (el rayo es una representación, una línea sin grosor, no debe confundirse con un haz, que sí tiene grosor). Un hecho que demuestra la propagación rectilínea de la luz es la formación de sombras. Una sombra es una silueta oscura con la forma del objeto.

Óptica Geométrica

Considerando que: , se tiene que para la ley de Snell queda como: Luego todos los rayos incidentes con son, completamente, refleja-dos. No hay rayo transmitido.

Reflexión total interna

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Ejemplo de aplicación reflexión total interna Fibra óptica.

PROBLEMA 2

Ley de reflexión y refracción

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1

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S

Q

P : Rayo incidente. : Ángulo de reflexión.

: Rayo reflejado. : Ángulo de refracción.

: Rayo refractado. : Índice refracción medio 1.

: Ángulo de incidencia. : Índice refracción medio 2.

N

N : Normal a la superficie.

Leyes de reflexión

La reflexión de la luz cumple dos leyes: El rayo incidente, el reflejado y la normal están en un mismo plano

perpendicular a la superficie.

El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión: .

La reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimenta un rayo luminosos al chocar contra una superficie. La luz reflejada sigue propagándose por el mismo medio que la incidente.

ri

N

Leyes de refracción

N

El rayo refractado, el incidente y la normal se encuentran en un mismo plano.

El rayo refractado se acerca a la normal cuando pasa de un medio en el que se propaga a mayor velocidad a otro en el que se propaga a menor velocidad. Por el contrario, se aleja de la normal al pasar a un medio en el que se propaga a mayor velocidad.

La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es igual a la razón entre la velocidad de la onda en el primer medio y la velocidad de la onda en el segundo medio:

Ley de refracción de Snell

La refracción de la luz es el cambio de dirección que experimentan los rayos luminosos al pasar de un medio a otro en el que se propagan con distinta velocidad. Las leyes fundamentales de la refracción son:

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21

Principio de Fermat

El trayecto seguido por la luz al ir de un punto a otro es tal que el tiempo empleado en recorrerlo es estacionario respecto a posibles

variaciones de la trayectoria

Si los dos puntos están en el mismo medio material, la trayectoria que los une es

una recta.

Si los dos puntos están en el mismo medio material y además la luz debe reflejarse en una superficie, es necesario escoger una de las infinitas trayectorias posibles.

Deducción ley de reflexión

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Tiempo empleado por el rayo en ir desde A hasta B: Pero: Luego:

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Tiempo empleado por el rayo en ir desde A hasta B: Pero: Luego:

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La reflexión total interna ocurre cuando un rayo llega o incide desde un medio con mayor índice de refracción a otro con menor índice de refracción, por ejemplo: desde el agua hacia el aire.

No hay rayo transmitido, no es posible satisfacer la ley de refracción. El rayo incidente se refleja completamente.

Dispersión de la luz blanca

La dispersión es el fenómeno de separación de las ondas de distinta longitud de onda al atravesar un material. Todos los medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas.

La dispersión se debe a que la velocidad de una onda depende de su longitud de onda. Por ejemplo, las ondas luminosas de diferente longitud de onda tienen velocidades de propagación distintas en el vidrio, por lo que son refractadas en diferente medida.

Cuando la luz blanca, compuesta por ondas de todas las longitudes de onda dentro de la gama visible, pasa a través de un bloque de vidrio, los diferentes colores son refractados o desviados en distinta medida. Si los lados del bloque no son paralelos, los diferentes colores de la luz se propagan con ángulos distintos, produciendo un espectro.

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