E empi gral. San Martín P. I. S. C. Física II




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fecha de publicación25.03.2016
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EEMPI Gral. San Martín P.I.S.C. – Física II

ÓPTICA
La óptica es la parte de la física que estudia los fenómenos de la luz. Se divide en tres ramas:

Óptica Geométrica: estudia la naturaleza particular de la luz.

Óptica Física: se ocupa de la naturaleza ondulatoria.

Óptica Cuántica: estudia la interacción de la luz con átomos y moléculas.
La Luz

Consiste en radiación electromagnética teniendo características de partícula y ondulatorias. La luz se genera como una forma de energía a partir de una transición electrónica en el átomo de una sustancia.
Propagación de la luz

La luz en un medio homogéneo se propaga en línea recta, constituyendo un haz de rayos luminosos. La velocidad de propagación de la luz en el vacío es de 320.000 km/seg.
Fuentes luminosas

Son todos aquellos cuerpos que emiten radiación luminosa. Pueden ser naturales como el sol y las estrellas, o artificiales como las lámpara, velas, etc.
Fuente Puntual

Es una fuente luminosa cuyas dimensiones son muy pequeñas respecto de la distancia que la separa de los objetos iluminados, como por ejemplo las estrellas.

Unidades

De acuerdo con las leyes de la fotometría, la unidad de iluminación resulta del cociente entre las unidades de intensidad y el cuadrado de las unidades de longitud (distancia). Debemos pues definir en primer lugar la unidades de intensidad:
Unidades de Intensidad:

Para determinar las unidades de intensidad se utiliza como parámetro de referencia un metal en fusión, pues la luz emitida en el punto de fusión es constante al igual que su temperatura.

Candela (cd): intensidad luminosa de una abertura de 1/60 cm2, perpendicular a la dirección de iluminación, por la radiación de platino a la temperatura de solidificación.

Violle : unidad de intensidad luminosa producida por una superficie de 1 cm2 de platino al estado de fusión.

La equivalencia entre estas dos unidades vistas es:

1cd = 1/20 violle
ÓPTICA GEOMÉTRICA

La óptica geométrica estudia la luz desde el punto de vista corpuscular, es decir, analiza los rayos luminosos como un flujo de partículas luminosas.
Leyes de la Óptica Geométrica

1ª Ley: La luz se propaga en línea recta.

2ª Ley: los rayos de un haz luminoso son independientes entre sí.

3ª Ley: Ley de Reflexión

4ª Ley: Ley de Refracción.
REFLEXIÓN DE LA LUZ

Cuando hacemos incidir un rayo de luz sobre una superficie pulida, una parte de la luz atraviesa la superficie pero otra parte se refleja.
Leyes de la Reflexión
1ª Ley: El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado pertenecen a un mismo plano
2ª Ley: El ángulo que forma el rayo reflejado con la normal (ángulo de reflexión) es igual al ángulo que forma el rayo incidente con la normal (ángulo de incidencia).

Espejos Planos

Una superficie perfectamente pulida constituye un espejo plano.
Imagen de un espejo plano

La imagen es virtual pues se forma por la prolongación de los rayos reflejados. En los espejos planos, la imagen siempre es virtual.

Espejos Esféricos

Una superficie esférica perfectamente pulida constituye un espejo esférico. Si la superficie pulida es la exterior el espejo es convexo, si es la interior, es cóncavo.


Componentes de un espejo esférico


La distancia focal es la mitad del radio de curvatura, es decir

f = R/2
Marcha de rayos en espejos cóncavos

1- Todo rayo que incide paralelamente al eje principal, se refleja pasando por el foco.

2- Todo rayo que incide pasando por el foco, se refleja paralelo al eje principal.

3- Todo rayo que incide pasando por el centro de curvatura se refleja sobre sí mismo.


En este caso, como el objeto se encuentra atrás del centro de curvatura, se obtiene una imagen real, invertida y de menor tamaño. Según la posición del objeto S se pueden obtener distintos tipos de imágenes:



Espejos convexos

En este tipo de espejos, siempre se presenta un solo tipo de imagen: virtual, derecha y de menor tamaño que el objeto.
Marcha de rayos en espejos convexos

1- Todo rayo que incide paralelamente al eje principal, al reflejarse, su prolongación pasa por el foco.

2- Todo rayo incidente cuya prolongación pasa por el foco, se refleja paralelo al eje principal.

3- Todo rayo incidente cuya prolongación pasa por el centro de curvatura se refleja sobre sí mismo.




Fórmula de Descartes

Es una ecuación matemática que relaciona las posiciones del objeto y la imagen con la distancia focal


Tamaño de la Imagen

Se puede determinar analíticamente la altura de la imagen a partir de la siguiente ecuación matemática:



REFRACCIÓN DE LA LUZ

Si un rayo de luz pasa de un medio transparente a otro de distinta densidad, ( por ejemplo: aire - agua ), se desvía de su dirección primitiva. La refracción es el fenómeno en el que un rayo de luz se desvía al atravesar la superficie de separación de dos medios transparentes.
Leyes de la Refracción
1ª Ley: el rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en un mismo plano. El ángulo que forman el rayo refractado con la normal se denomina ángulo de refracción
2ª Ley: el seno del ángulo de incidencia es inversamente proporcional al índice de refracción del medio incidente y el seno del ángulo de refracción es inversamente proporcional al índice de re refracción del medio en que se refracta. Esto se conoce como Ley de Snell.



Todo rayo que pasa a un medio más refringente, tiende a acercarse a la normal y viceversa.
Índice de Refracción ( n )

El índice de refracción de un medio cualquiera es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en dicho medio.




Construcción del rayo refractado

DIOPTRAS

Se denomina dioptra a la superficie de separación de dos medios con diferente índice de refracción. Pueden ser planas como la lámina de caras paralelas y los prismas o esféricas como las lentes.
Tipos de lentes delgadas

Las lentes convergentes son aquellas que al ser atravesadas por un haz de rayos paralelos provocan la convergencia de dichos rayos hacia un punto. También se las denominan lentes positivas, pues la potencia de estas lentes es positiva. Por el contrario, la lentes divergentes tienden a separar los rayos y por eso se las denominan lentes negativas (su potencia siempre es negativa).

INSTRUMENTOS ÓPTICOS
EL OJO HUMANO



COMPONENTES DEL OJO HUMANO:
Esclerótica: membrana externa blanca del ojo.

Córnea: membrana fibrosa transparente con n= 1.376 y espesor variable entre 0.8 y 1mm.

Coroides: membrana con pigmentos negros que sirve de cámara oscura.

Retina: membrana interna que recubre el fondo del ojo, constituída por 10 hileras celulares con conos ( captan los colores) y bastoncillos (captan la luz). Es la película fotográfica del ojo donde se forma la imagen.

Humor Acuoso: solución salina con n=1.336

Iris: diafragma opaco que regula la entrada de luz al ojo a través de la pupila.Está constituído de fibras musculares lisas y su diámetro varía de 2 a 8 mm

Cristalino: lente biconvexa (10 y 8 mm de radio y 4 mm de espesor ) formada por capas fibrosas superpuestas con índices que varían entre 1.386 y 1.404, lo cual le permiten mayor convergencia.

Músculos ciliares: tejido muscular que varía la curvatura de las capas del cristalino cambiando la distancia focal para formar imágenes sobre la retina ( acomodación).

Humor Vítreo: solución salina con n=1.339

Fovea: zona alrededor del eje óptico del ojo donde hay mayor sensibilidad ( solo hay conos).

Punto Ciego: unión del nervio óptico con la retina. En este punto la visión es nula por ausencia de conos y bastoncillos.

Nervio Óptico: transmisor de las señales luminosas hacia el cerebro.

Punto Remoto: punto más distante que el ojo puede captar sin acomodación ( 15 m a infinito)

Punto Próximo: punto más cercano que el ojo puede captar con acomodación y sin cansancio. Sus valores varían de acuerdo a la edad ( Tabla de Höber):
10 años: 7 cm 30 años: 14 cm 60 años: 100 cm

20 años: 10 cm 40 años: 22 cm 70 años: 400 cm

30 años: 14 cm 50 años: 40 cm
Potencia del ojo: oscila con la edad, correspondiendo a los 20 años una potencia de 10 dioptrías, a los 60, 1 dioptría y a los 75 años es nula.
Marcha de Rayos

De los rayos que inciden sobre la córnea, unos se reflejan y otros la atraviesan, penetrando a través del humor acuoso y llegando al iris, el cual solo deja pasar los rayos paralelos y próximos al eje óptico, evitando la cáustica de reflexión. El cristalino concentra los rayos y forma la imagen en la fovea de la retina.
Poder Separador del ojo o agudeza visual

Capacidad del ojo para distinguir dos objetos próximos. El ángulo visual para que el ojo normal distinga dos objetos es de 1 minuto. Así para distinguir dos objetos a 30 cm deben estar separados entre sí 0.1 mm; a 30 m ,1cm; a 300 m, 10 cm; a 3000 m ,100 cm.
Defectos Visuales

Un ojo normal, denominado emétrope, es aquel que observa nítidamente objetos situados en el punto remoto.

Miopía

Se debe a la mayor convergencia de rayos que en un ojo normal, con lo cual la imagen se forma delante de la retina. Se corrige con lentes divergentes.


Hipermetropía

Menor convergencia de los rayos que en el ojo normal, con lo cual la imagen se forma detrás de la retina. Se corrige con lentes convergentes.


Astigmatismo

Es un defecto que no permite enfocar líneas verticales y horizontales con nitidez. Se debe a irregularidades en las curvaturas de los distintos medios refringentes. Se corrige mediante lentes cilíndricas colocadas con su eje de acuerdo con el plano en que se verifica el defecto.
Presbicia

Es un tipo de hipermetropía que consiste en la imposibilidad de acomodación del cristalino. Con la edad se va perdiendo el poder de acomodación con lo cual las personas mayores sufren de este tipo de defecto visual, y por ello para leer de cerca deben acomodar el libro o diario a una determinada distancia. Se corrige con lentes convergentes.
Dicromatopsia o Daltonismo

Consiste en la confusión de colores como por ejemplo rojo y verde o amarillo y azul. Cuando el daltónico no ve el rojo se denomina protanopia, si no distingue el verde, deuteranopia. Es muy raro en mujeres y en algunos casos pueden existir ojos incapases de percibir colores ( acromasia)

LUPA O LENTE DE AUMENTO

Es una lente biconvexa de pequeña distancia focal. El objetivo se coloca entre el foco y la lente obteniéndose una imagen virtual, derecha y de mayor tamaño que actúa como objeto del sistema óptico del ojo.


MICROSCOPIO ELEMENTAL

Está formado por dos lentes biconvexas, la primera actúa como objetivo con distancia focal chica que produce una imagen real e invertida que sirve de objeto de la segunda lente denominada ocular y de distancia focal mayor.



CÁMARA FOTOGRÁFICA

Es una cámara oscura que posee una lente o sistema de lentes convergentes que constituyen el objetivo. La imagen producida, real e invertida, se impresiona en una película fotográfica.



BIBLIOGRAFÍA: Curso de Física de Carlos R. Miguel Ed. El Ateneo.





Prof. Mabel G. Rinaldi

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