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optics

Óptica.

La óptica es la rama de la física que estudia la luz, con el objetivo de conocer su origen, su naturaleza, los fenómenos que involucra, y las diversas teorías que se han desarrollado a lo largo del tiempo. Incluye las leyes y fórmulas que rigen su comportamiento.

La luz es el agente físico capaz de estimular la retina humana, lo que nos permite percibir el mundo que nos rodea. A través de la luz, el ser humano ha tenido acceso a la mayor parte de los fenómenos del universo.

Aunque aún no comprendemos completamente la naturaleza de la luz, gracias a los estudios de científicos que han dedicado sus vidas a resolver este misterio, hoy tenemos una comprensión bastante precisa del mecanismo de propagación de la luz y de los fenómenos derivados de ella. Actualmente, se acepta que la luz tiene una doble naturaleza: corpuscular y ondulatoria.

  • Según Isaac Newton, la luz es una emisión de partículas (o corpúsculos) provenientes de los cuerpos.

  • Según Christiaan Huygens, la luz es un fenómeno ondulatorio.

  • James Clerk Maxwell sostuvo que la luz está constituida por ondas transversales de naturaleza electromagnética.

  • Max Planck propuso la teoría de los "quanta". Según esta teoría, la energía de un haz luminoso está concentrada en pequeños paquetes llamados fotones.

Para mayor claridad, se puede dividir el estudio de la óptica en dos áreas principales:

  1. Óptica geométrica: Estudia la luz desde un punto de vista geométrico, prescindiendo de su naturaleza, origen y velocidad de propagación. En esta rama, la luz se representa como un rayo de luz que sigue una trayectoria rectilínea.

  2. Óptica física: Aborda la naturaleza de la luz, sus fenómenos ondulatorios y corpusculares, y cómo se comporta según las leyes de la física moderna.

En óptica geométrica, los dos fenómenos principales son:

  • Reflexión (fig. 1): El cambio de dirección de un rayo de luz cuando rebota en una superficie.

  • Refracción (fig. 2): El cambio de dirección que experimenta la luz al pasar de un medio a otro con diferente densidad óptica.

Fig. 1 — Fenómeno de la reflexión de la luz.

Fig. 2 — Fenómeno de la refracción de la luz.

En este estudio emplearemos como material de experimentación: espejos, lentes, prismas e instrumentos de óptica, como: el telescopio, el microscopio, el anteojo, el sextante...

La óptica física es la parte de la óptica que trata de indagar la naturaleza de la luz, su origen, su velocidad de propagación y los fenómenos en los cuales la luz se presenta preferentemente bajo la forma de onda.

Definiciones de algunos conceptos

Sensación luminosa. Es el conocimiento que adquirimos de los objetos a través de la visión. Los rayos luminosos que parten de dichos objetos impresionan la retina, y el cerebro toma conciencia de los mismos.

Cuerpos luminosos. Son aquellos que determinan por sí mismos una sensación luminosa, ya que emiten luz propia. Reciben el nombre de focos, o fuentes de luz. El sol, las estrellas, el filamento incandescente de una lámpara, el fósforo encendido, el arco voltaico, son cuerpos luminosos (fig. 3).

Fig. 3 — Cuerpos luminosos.

Cuerpos iluminados. Son los que por sí mismos no son luminosos. Son cuerpos oscuros u opacos y se hacen visibles al incidir sobre ellos la luz proveniente de una fuente luminosa. La mayoría de los cuerpos pertenecen a este grupo. La luna, los planetas, la tierra, las rocas, los cuerpos que nos rodean, son iluminados (fig. 4).

Fig. 4 — Cuerpo iluminado.

Cuerpos transparentes. Cuerpos transparentes son los que dejan pasar la luz y permiten ver con nitidez los objetos colocados detrás de ellos. El vidrio, el aire, son transparentes (fig. 5).

Fig. 5 - El vidrio es un cuerpo transparente

Cuerpos translúcidos. Son los que dejan pasar la luz, pero no permiten distinguir con nitidez los objetos coloca dos detrás de ellos. El vidrio opalino, el papel parafinado, una lámina de alabastro, son translúcidos (fig. 6).

Fig. 6 — Cuerpo translúcido.

Cuerpos opacos. Cuerpos opacos u oscuros son los que no dejan pasar la luz ni permiten distinguir los objetos colocados detrás de ellos. Las láminas metálicas, la madera, las rocas, el cuerpo humano... son opacos (fig. 7).

Fig. 7 - Cuerpo opaco

PROPAGACIÓN RECTILÍNEA DE LA LUZ

La velocidad de la luz en el vacío es una constante física fundamental, aproximadamente 299,792,458 metros por segundo. Este valor es crucial en la teoría de la relatividad de Einstein, que establece que la luz viaja a esta velocidad independientemente del movimiento del observador. Según la teoría de la relatividad especial, ningún objeto puede superar la velocidad de la luz, ya que esto implicaría una violación de las leyes de la física. Actualmente, se cree que la luz tiene una doble naturaleza: ondulatoria, como lo postuló Huygens, y corpuscular, según la teoría cuántica de Planck y Einstein, con fotones como partículas portadoras de energía.

La observación y la experimentación han establecido que, en un medio homogéneo, la luz se propaga: en línea recta y en todas direcciones.

a) Propagación rectilínea de la luz.

Dispositivo experimental. Frente a una linterna encendida se colocan tres pantallas opacas A, B, C, agujereadas en el centro. El ojo colocado en 0, verá la luz de la linterna si F, A, B, C y 0, están en línea recta. Dejará de verla con sólo correr un poco lateralmente una de las tres pantallas

(fig. 8).

Fig. 8 - Propagación rectilínea de la luz.

CÁMARA OSCURA. La cámara oscura es un cajón cerrado cuya parte anterior está perforada con una diminuta abertura. En la parte posterior se puede colocar un vidrio deslustrado.

Es conveniente que el interior del cajón esté pintado de negro.

Por el orificio penetran los rayos luminosos provenientes de los objetos que se sitúen delante de la cámara, y sobre el vidrio pulido se formará entonces su imagen invertida (fig. 9).

Fig. 9 — Cámara oscura

b) Propagación omnidireccional de la luz. La luz se propaga en todas las direcciones. Lo prueba el hecho siguiente: Los alumnos ubicados en distintos puntos de un aula, reciben la luz que provecta una lámpara que ilumina la misma (fig. 10).

Fig. 10 — Propagación omnidireccional de la luz.

1-3. CONSECUENCIAS La propagación rectilínea y omnidireccional de la luz trae aparejadas las siguientes consecuencias:

  • La formación del rayo luminoso.
  • La formación del haz luminoso.
  • La formación de la sombra.
  • La formación de la penumbra.

a) Rayo luminoso. El rayo luminoso es la línea imaginaria trazada conforme a la trayectoria que sigue la dirección de la propagación de la luz.

Observación. -— Al penetrar la luz solar por un orificio muy delgado de la pared de una habitación, su trayectoria queda señalada por el polvo iluminado, el cual pone en evidencia la luz.

Obsérvese que, si no hay polvillo, en suspensión, no se ve el rayo luminoso. Solamente se verá el punto iluminado en donde incide el rayo luminoso.

Dispositivo experimental.

Coloquemos un cartón A, finamente agujereado, ante un intenso haz de luz L: Se obtendrá una fuente puntual luminosa.

Interpóngase un cuerpo opaco C entre este cartón y una pantalla P. En la misma aparecerá una mancha oscura S que llamamos “sombra”. Se podrá unir cada punto de la periferia de esa sombra con la fuente de luz proveniente del agujero del cartón, mediante líneas rectas, tangentes al cuerpo opaco. Estas rectas representarán la trayectoria de los rayos luminoso (fig. 7 y fig.11).

Fig. 11 — Dispositivo experimental sobre el rayo luminoso.

b) Haz luminoso. El haz luminoso es un conjunto de rayos luminosos. Dispositivo experimental. Reemplacemos el cuerpo opaco del ejemplo anterior con un diafragma P, o sea una pantalla agujereada. En la patanlla P obtendremos una zona luminosa.

Cada punto de la periferia de la zona luminosa puede estar unida con el borde del diafragma a la fuente de luz. El conjunto de estas líneas encierra un cono de luz que es el haz luminoso (fig. 12).

Los haces luminosos pueden ser:

  • paralelos (fig. 13),
  • convergentes (fig. 14) y
  • divergentes (fig. 15).

Fig. 12 — Dispositivo experimental acerca del haz luminoso.

Fig. 13 — Haces luminosos paralelos.

Fig. 14 — Haces luminosos convergentes.

Fig. 15 — Haces luminosos divergentes.

Vergencia del haz luminoso. La vergencia del haz luminoso es el inverso de la distancia focal. Su unidad es la dioptría que es igual a 1/f.

Hay dispositivos ópticos que hacen que los haces luminosos se vuelvan convergentes o divergentes.

En el primer caso, convergencia, el haz luminoso tiende a juntarse en un punto.

En el segundo caso, divergencia, el haz luminoso tiende a abrirse.

c) Sombra. La sombra es una zona privada de luz por la interposición de un cuerpo opaco.

La sombra puede ser: propia y proyectada.

La sombra propia es la parte no iluminada de un cuerpo opaco (S) que recibe luz.

La sombra proyectada por un cuerpo es la parte de otro cuerpo que el primero priva de luz. La esfera opaca A B priva de luz la zona P P' de la pantalla. Esta región P P' es la sombra proyectada por la esfera A B (fig. 16).

Las tangentes LA y L B, prolongadas respectivamente hasta P y P', delimitan la zona de la sombra proyectada.

Fig. 16 — Sombra propia y sombra proyectada.

d) Penumbra. La penumbra es una región que recibe sólo una parte de la luz.

Si la fuente de luz, en vez de ser puntual fuese una esfera T T', y el cuerpo opaco A A' esférico, se producirían sombra y penumbra tanto en la en el cuerpo opaco pantalla como (fig- 17).

La pantalla presenta dos zonas:

  • Un círculo c c', no iluminado, que es la sombra proyectada del cuerpo opaco;
  • Una corona cuya claridad va creciendo desde c c' hasta d d', y que es la región de la penumbra proyectada.

El cuerpo opaco también presenta dos zonas:

  • Una, no iluminada, sumida en la oscuridad; es la sombra propia de la esfera opaca;
  • Otra, cuya claridad va en aumento desde A A' hacia B B'; es la penumbra propia del cuerpo oscuro.

En realidad tanto la sombra como la penumbra, limitadas por las cuatro tangentes, son dos troncos de cono concéntricos, teniendo dos bases en la pantalla por un lado, y las otras dos se confunden y forman la sección principal, la cual es perpendicular a la dirección de la luz del cuerpo opaco.

Fig. 17 — Sombra y penumbra.

Fases de la luna. Cuando la tierra está entre el sol y la luna, y ésta recibe de frente los rayos solares vemos la hemisfera selenita completamente iluminada: es el plenilunio (luna llena).

Siguiendo su trayectoria, la luna se coloca entre el sol y la tierra: la cara de la luna queda sumida en su sombra propia, por consiguiente, invisible: es el novilunio (luna nueva)

 

Fig. 18 — Fases de la luna y eclipses del sol y de la luna.

El paso del plenilunio al novilunio es el cuarto menguante ; y el paso del novilunio al plenilunio es el cuarto creciente (fig. 18).

Eclipses. En sus movimientos de rotación respectivos, tanto la tierra como la luna, proyectan tras sí un cono de sombra y un cono de penumbra.

Cuando la luna penetra en el cono de sombra proyectado por la tierra, se tiene el eclipse total o parcial del satélite, según esté total o parcialmente en el cono de sombra.

Cuando, a su vez, la tierra se halla en el cono proyectado por la luna, se produce un eclipse de sol, que será total para la zona cubierta por el cono de sombra proyectada por la luna; y parcial, para la región terrestre influenciada por el cono de penumbra proyectada por la luna (fig. 18).

Términos destacados:

  • Agente físico (Physical agent)
  • Campo electromagnético (Electromagnetic field)
  • Celeridad (Velocity)
  • Corpuscular (Corpuscular)
  • Cuanta (Quantum)
  • Difracción (Diffraction)
  • Fenómeno (Phenomenon)
  • Fenómenos ondulatorios (Wave phenomena)
  • Fórmula (Formula)
  • Frecuencia (Frequency)
  • Huygens (Huygens)
  • Luz (Light)
  • Maxwell (Maxwell)
  • Ondulatoria (Wave-like)
  • Óptica (Optics)
  • Óptica geométrica (Geometrical optics)
  • Óptica física (Physical optics)
  • Partículas (Particles)
  • Planck (Planck)
  • Propagación (Propagation)
  • Reflexión (Reflection)
  • Refracción (Refraction)
  • Rayo de luz (Light ray)
  • Retina (Retina)
  • Teoría (Theory)
  • Cuerpos luminosos (Luminous bodies)
  • Cuerpos iluminados (Illuminated bodies)
  • Cuerpos transparentes (Transparent bodies)
  • Cuerpos translúcidos (Translucent bodies)
  • Cuerpos opacos (Opaque bodies)
  • Cámara oscura (Camera obscura)
  • Rayo luminoso (Light ray)
  • Haz luminoso (Light beam)
  • Sombra (Shadow)
  • Penumbra (Penumbra)