Óptica

La óptica es la parte de la física que estudia las propiedades de la luz. Puede dividirse en:

• Óptica geométrica: Estudia las leyes de propagación de la luz.
• Óptica física: Estudia la naturaleza de los fenómenos luminosos.

El objetivo de la óptica geométrica es el estudio de la formación de imágenes mediante la reflexión y refracción. La óptica geométrica estudia fenómenos luminosos que pueden explicarse aplicando el concepto de rayo.

Términos

• Dioptrio: Conjunto formado por dos medios transparentes, con índices de refracción distintos, separados por una superficie.
• Sistema óptico: Conjunto de varios dioptrios.
• Imagen real: Aquella que no se ve a simple vista pero puede recogerse en una pantalla. La imagen se forma por la convergencia de los rayos luminosos.
• Imagen virtual: Aquella que no existe realmente, se ve pero no puede recogerse sobre una pantalla. La imagen se forma por la prolongación de los rayos de luz, ya que estos divergen.
• Distancia focal: Distancia entre dos puntos característicos de un dioptrio esférico, los focos y el vértice.

Espejos

Es todo cuerpo con una superficie pulimentada que hace posible una reflexión total y regular de la luz que incide sobre él. Los espejos pueden ser planos o curvos.

Espejos Planos

La superficie reflectora es plana. ¿Por qué vemos al otro lado del espejo si allí no hay nada? El cerebro interpreta que los rayos que salen del foco luminoso y se reflejan en el espejo han sido emitidos por un foco común, que en realidad no existe, dando una imagen virtual.

Espejos Cóncavos

La superficie reflectante es el interior de un casquete esférico, los haces de luz reflejados convergen en el foco. Utilidad: faro de los coches.

Espejos Convexos

La superficie reflectante es el exterior de un casquete esférico, los haces de luz reflejados son divergentes, pero sus prolongaciones se cortan en el foco. Utilidad: espejos retrovisores de los coches.

Lentes

Es todo material transparente y homogéneo limitado por dos superficies, una de las cuales es curva. Pueden ser:

• Convergentes: Concentran los haces de luz. Son más gruesas en el centro que en los bordes.
• Divergentes: Dispersan los haces de luz. Más gruesas en los bordes que en el centro.

Se llama aumento lateral a la relación entre la imagen y el objeto: ML=Y’/Y=S’/S.

• Distancia focal imagen: Es la distancia a la que se forma la imagen de un punto situado en el infinito.
• Distancia focal objeto: Es la distancia a la que hay que colocar un punto para que su imagen se forme en el infinito.
• Las imágenes reales no se ven pero pueden recogerse sobre una pantalla. Las virtuales se ven a simple vista, pero no pueden recogerse en una pantalla.

Instrumentos Ópticos

• Aparato de proyección: Sirven para proyectar en una pantalla la imagen real muy ampliada de un objeto. Los rayos de un potente foco luminoso son concentrados por medio de un espejo cóncavo y de lentes convergentes. Los proyectores de cine son aparatos de proyección que hacen pasar mecánicamente, sin parar y con cierta velocidad una cinta que lleva muchas fotografías sucesivas.
• Cámara fotográfica: La cámara oscura es una caja completamente cerrada en cuya cara delantera hay un orificio pequeño. Al colocar un objeto luminoso frente al orificio, lo vemos proyectado en la pared opuesta formando una imagen invertida. Este hecho, se explica por la propagación en línea recta de la luz. La cámara fotográfica es en esencia una cámara oscura con una lente convergente en el orificio. Enfocando la cámara, la entrada de luz se regula con un diafragma, para que la proyección sea la mejor en el momento del disparo.
• Lupa y microscopio: Cuando se desea observar un objeto muy pequeño, hemos de recurrir a medios ópticos. El más sencillo es la lupa, que utiliza una lente convergente. Con la lupa se obtienen unos 25 aumentos. Pero si esta ampliación no es suficiente se recurre al microscopio, con la asociación de dos lentes convergentes. La primera lente se llama objetivo, y la segunda ocular.
• Telescopios: Son instrumentos ópticos que se utilizan para conseguir que los objetos distantes parezcan más cercanos. Catalejo, o prismáticos son ejemplos de telescopios terrestres, pero los más interesantes son los astronómicos. Estos telescopios recogen la energía luminosa para formar imágenes. Utilizan lentes y espejos, existiendo telescopios de refracción y de reflexión. Los telescopios de refracción constan de un objetivo y un ocular. El objetivo forma una imagen de un objeto lejano dentro de la distancia focal del ocular que actúa como amplificador. En los de reflexión el objetivo es un espejo cóncavo, normalmente parabólico. Como es más fácil construir grandes espejos que grandes lentes, los telescopios de reflexión son los más utilizados.

Medición de la Velocidad de la Luz

• Galileo Galilei: No pudo determinarla. Infinita.
• Ole Rømer (siglo XVII): Método astronómico. Se basó en la observación de un eclipse de un satélite del planeta Júpiter. El tiempo que dura la observación del eclipse depende de la distancia Tierra-Júpiter observando dos eclipses sucesivos, cuando la Tierra está en la posición más cercana a Júpiter y cuando está más alejada. Rømer midió el tiempo entre uno y otro en la posición más cercana entre Tierra y Júpiter, y luego la posición más alejada. Como en este intervalo de tiempo la luz recorre una distancia aproximada al diámetro de la órbita de la Tierra alrededor del Sol (3·10⁸ Km), Rømer no calculó exactamente la velocidad entera por la poca precisión de los aparatos.
• Armand Fizeau (siglo XIX): Método terrestre. Hace pasar un haz de luz a través de una rueda dentada que está girando. La luz pasa entre dos dientes, se refleja en un espejo colocado a varios kilómetros del foco y pasa por el hueco siguiente entre diente y diente de la rueda, que está girando a con una velocidad suficiente. Conocida la distancia recorrida por el rayo luminoso, la velocidad de rotación de la rueda y su número de dientes, se puede deducir la velocidad de la luz.

Naturaleza de la Luz

• Corpuscular (Isaac Newton, 1671): Sostiene que la luz es formada por pequeñas partículas que viajan por el espacio a gran velocidad y en línea recta. Pero no podía explicar otros hechos, como los fenómenos de interferencias, sus cálculos decían que la velocidad de la luz era menor en el aire que en el vidrio o agua.
• Ondulatoria (Christiaan Huygens, 1678): Establece que la luz se propaga por medio de pequeñas ondas longitudinales semejantes a las ondas sonoras. Como según él las ondas necesitan de un medio para propagarse, supuso la existencia de un medio ideal que llena todo. Así pudo explicar las leyes de refracción y reflexión y las interferencias luminosas. Al explicar la refracción de la luz llegó a la conclusión que la velocidad de la luz en el aire era mayor que en el vidrio. Newton rechazó esta teoría al no existir pruebas. Posteriormente otros experimentos hacen resurgir la teoría ondulatoria, entre ellos la demostración de que las ondas luminosas son transversales. Además, Léon Foucault demostró que la velocidad de luz en el aire era mayor que en el agua, y a partir de ese momento la teoría ondulatoria fue aceptada universalmente. Luego James Clerk Maxwell demostró que la luz es una onda electromagnética que se propaga en el vacío sin necesidad de un soporte material. Hoy en día se admite que aquellos fenómenos que implican una interacción entre la luz y la materia solo pueden explicarse según la teoría corpuscular de la luz y aquellos fenómenos solo pueden explicarse por medio de la naturaleza ondulatoria.

Dispersión de la Luz

Consiste en la separación de la luz incidente cuando atraviesa un medio material, en las distintas luces elementales que la forman y que se caracterizan por sus longitudes de onda.

Producción de Interferencias

La forma más sencilla de producir interferencias es mediante la experiencia de Young. Consiste en dejar pasar la luz de una fuente luminosa a través de dos rendijas y lo que Young vio fue unas franjas claras y otras oscuras, estas franjas se deben a la superposición de las ondas emitidas a través de las rendijas. Se necesitan rendijas estrechas, en el mismo plano y que estén separadas entre sí por una distancia “d” pequeña.

Propagación de la Luz

Es una onda electromagnética que se propaga según líneas rectas a las que se llaman rayos. Un rayo es una línea imaginaria que se dibuja en la dirección en la cual se propagan las ondas.

Ojo Humano

• Miopía: Se utiliza lentes divergentes de manera que el foco imagen coincida con el punto remoto del ojo, la lente crea una imagen virtual, derecha y de menor tamaño pero más próxima al ojo, permitiendo ver objetos borrosos.
• Hipermetropía: Es el defecto opuesto a la miopía. Se ven borrosos los objetos cercanos, se corrige con lentes convergentes. Una imagen derecha, virtual y de mayor tamaño. Más alejada del ojo.
• Presbicia: Se debe a que el ojo disminuye su capacidad de acomodación para ver, se corrige con lentes convergentes.