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ÓPTICA FÍSICA Y ÓPTICA
     GEOMÉTRICA


JUAN CARLOS SOCHA MARSHALL

                             1
La Óptica o ciencia que estudia la luz, es una de las ramas más antiguas de la
física.




La óptica geométrica se basa en el concepto de rayo luminoso como trayectoria
que siguen las partículas materiales emitidas por los cuerpos luminosos sin
preocuparse de estudiar cual es la naturaleza de la luz.




 La óptica física estudia los fenómenos luminosos e investiga cual
 es la naturaleza de la luz.




                                                                                 2
LA NATURALEZA DE LA LUZ


                                           ··   ··
                                 · ··
                                 ··
                                 ·          ·    · ··
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                                                 · · ··
                                           ·    · · ··
                                                     · ···

 Durante siglos se creyó que la luz consistía en un chorro de partículas emitidas por
   una fuente luminosa

Los demás cuerpos se veían debido a que se reflejan algunos de los corpúsculos que
  los golpean, y al llegar estas partículas al ojo, se producía la sensación de ver. Esto
  explicaba la reflexión de la luz en un espejo

                                                                                            3
EL MODELO CORPUSCULAR DE NEWTON
Isaac Newton publica en 1704 su óptica y asienta el modelo corpuscular de la luz
sobre las ideas de Descartes. Supone que la luz está formada por corpúsculos
materiales que son lanzados a gran velocidad por los cuerpos emisores de luz.
                                       Este modelo explica y se basa en:
                                       La propagación rectilínea de la luz: la luz está
       Vx
                                          formada por pequeñas partículas que viajan a
  Vy                   Vy                 gran velocidad, pero no infinita, de manera que
                                          sus trayectorias rectilíneas constituyen los rayos
                            Vx            luminosos.
                                       La ley de la reflexión: al incidir la luz en una
Aire                                      superficie lisa como la de un espejo choca con
Agua                                      dicha superficie y se refleja del mismo modo que
                                          una bala choca contra una placa de acero.
                       Vx
                                       La ley de la refracción o cambio en la dirección de
                                          la trayectoria que experimenta la luz cuando pasa
                                          de un medio a otro diferente, por ejemplo, del
                  Vy                      aire al agua. La refracción es debida a la diferente
                                          densidad de los medios por los que atraviesa la
                                          luz

Sus métodos mecánicos le condujeron a conclusiones erróneas, al afirmar que la          4
  velocidad de la luz era superior en el agua que en el aire
Modelos ondulatorios

 Modelo ondulatorio de Huygens

 En 1690 publicó su teoría sobre la propagación de la luz como un movimiento ondulatorio
   que necesitaba de un medio material llamado éter, para propagarse
 Desechaba la posibilidad de que se tratara de un movimiento corpuscular ya que dos haces
   de luz podían cruzarse sin estorbarse

 Su mayor error fue considerar la ondas de luz longitudinales, como las del sonido que se
   propaga en un medio aun no descubierto que llamó “éter”. Consideraba el “éter “
   como un fluido impalpable que todo lo llena incluso donde parece no haber nada, el
   vacío, luego no existe el vacío ya que está lleno del “éter”. Considera la luz como
   ondas esféricas y concéntricas con centro en el punto donde se origina la
   perturbación (foco luminoso).


La discusión entre el modelo corpuscular de Newton y el ondulatorio de
Huygens fue ganada por Newton en un primer momento debido a su mayor
prestigio y fama como científico y a que los experimentos que se conocían
en aquella época apoyaban a Newton

                                                                                     5
Vuelve a tomarse en consideración la teoría ondulatoria de la luz en el siglo XIX
 gracias a los trabajos de difracción e interferencias con rayos luminosos de Young.
  Se observa que los rayos luminosos cumplen el principio de superposición de manera
 que cuando dos rayos de diferentes orígenes coinciden en la misma dirección su
 efecto es una combinación (superposición) de ambos y una vez traspasado el lugar de
 la superposición siguen con su forma original, comportamiento claramente
 ondulatorio .

  Young propone que la luz está formada por ondas transversales.

Malus estudia el fenómeno de polarización de la luz y Fresnel deduce que puesto
que la luz se polariza debe ser efectivamente una onda transversal y tridimensional.

                Modelo ondulatorio de Fresnel


   Estableció que las vibraciones en la luz no pueden ser longitudinales, sino que deben ser
     perpendiculares a la dirección de propagación, y por tanto transversales

  Basándose en este concepto enunció matemáticamente la ley de la reflexión

 Faraday estableció una interrelación entre electromagnetismo y luz cuando
 encontró que la dirección de polarización de un rayo luminoso puede alterarse por la
 acción de un fuerte campo magnético. Sugirió que la luz podría tener naturaleza
                                                                                        6
 electromagnética.
MODELO ONDULATORIO DE MAXWELL

                     E                                              B Campo magnético
                                                                    E Campo eléctrico
                               B


                           B

                                   E

   James Clerk Maxwell demostró que las ondas luminosas son electromagnéticas, del
     tipo de las ondas de radio, y no necesitan medio alguno para propagarse

    La frecuencia de las ondas luminosas es mucho mayor que las de radio, e
     impresionan la retina del ojo

    1
          c
     .

Hertz produce por primera vez ondas electromagnéticas (luz) a partir de
circuitos eléctricos alternos y realiza con ellas reflexión, refracción e interferencias.
                                                                                            7
EFECTO FOTOELÉCTRICO
        Fotón                                        e

                                                               Consiste en la obtención de
                                                                 electrones libres de un
                                                                 metal cuando sobre este
                                                                 incide un haz de luz


                                                               Un aumento de la intensidad
                                                                 luminosa no suponía un
                                                                 incremento de la energía
                                                                 cinética de los electrones
                                                                 emitidos


    La luz interacciona con los electrones de la materia en cantidades discretas que se
     denominan cuantos

    La energía de un cuanto es: E = h     siendo   la frecuencia y h la constante de Planck
     cuyo valor es h = 6,62 . 10-34 J.s

Einstein rechaza la existencia del “éter” y admite que la luz se propaga en el
vacío con una velocidad de 3.108 m/s
                                                                                          8
La luz se debe a la oscilación de las cargas eléctricas que forman la materia, es una
perturbación electromagnética que se propaga en forma ondulatoria transversal en el
vacío. Una onda electromagnética se produce por la variación en algún lugar del espacio
de las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia.

          NATURALEZA CORPUSCULAR DE LA LUZ




    Para observar la presión luminosa se sitúan dos espejos planos en los extremos de
     una barra suspendida por su centro y orientados en sentidos opuestos

     Se hace incidir dos haces de luz de gran intensidad produciendo un giro, de modo que
      se puede calcular el valor de la presión que la luz ejerce sobre los espejos

     Esto demuestra que la luz se comporta en ocasiones como una partícula

                  Louis de Broglie afirmó en 1922 que la luz tiene doble               9
                     naturaleza: ondulatoria y corpuscular
EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO



       Ondas de radio                  Infrarrojos    Ultravioleta         Rayos gamma




                                            Luz
                                            visible
                          Microondas                                 Rayos X




Las ondas electromagnéticas difieren entre sí en su frecuencia y en su longitud de
 onda, pero todas se propagan en el vacío a la misma velocidad

Las longitudes de onda cubren una amplia gama de valores que se denomina
 espectro electromagnético
                                                                                     10
ÍNDICE DE REFRACCIÓN
  INDICE DE REFRACCIÓN: es la relación que existe entre la velocidad de la
   luz en el vacío y la velocidad de la luz en un determinado medio. c        n      v
    Puede definirse el índice de                  n2
    refracción relativo entre dos        n 2,1                 Índice de refracción de algunas
    medios como:                                  n1                      sustancias
                                                               Aire                       1,00
       tomándose en general al vacío como medio 1
                                                               Agua                       1,33

 La velocidad de la luz en el vacío es igual a                 Aceite                     1,45
 3.108 m/s; y es la velocidad máxima que existe.               Vidrio para botellas       1,52
                                                               Vidrio crown ligero        1,54
Un índice de refracción pequeño indica una velocidad
grande.                                                        Vidrio flint ligero        1,58
                                                               Cristalino                 1,44
El índice de refracción del aire se puede tomar como 1 ya
que la velocidad de la luz en el aire es aproximadamente       Cuarzo                     1,54
igual que en el vacío.                                         Diamante                   2,42
                                                               Nailon 66                  1,53
Medios Isótropos: tienen igual índice de refracción en todas
  las direcciones.
Medios Anisótropos: tienen diferente índice de refracción                                11
  según la dirección que se tome.
REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ


 Foco
                                                       Rayo reflejado
                                        N                                   Tanto en la reflexión
                                                                             como en la refracción,
                                                                             el rayo incidente, la
     Rayo incidente                             ’                            normal y los rayos
                        ri
                                    i       i             ri’                reflejados o refractados
                                                                             se encuentran en el
                                                                             mismo plano.
 A
                                                                        S
 B                              O


                                        r       rr ’



                  Rayo refractado

                                                                                                 12
REFLEXIÓN                         el rayo de luz llega a la separación de dos medios
                                        y sale rebotado.

      La reflexión es el fenómeno por el cual el rayo incidente sigue propagándose por el
       medio de incidencia. Este fenómeno permite ver objetos no luminosos

      Dependiendo del tipo de superficie, lisa o irregular, la reflexión será especular, o difusa

              REFLEXIÓN ESPECULAR                                 REFLEXIÓN DIFUSA

                        Normales                                   Normales
                                         Rayo                                                Rayo
Rayo                                     reflejado                                           reflejado
incidente


 Superficie
 regular                                                                                     Superficie
                                                                                             irregular




                 En cualquier caso, el ángulo que forma el rayo incidente con
                  la normal ( i), es igual al formado por la normal y el
                  reflejado ( r)                                                               13
REFRACCIÓN
   La refracción es la desviación que experimenta la dirección de propagación de la
    luz cuando pasa de un medio a otro en el que su velocidad es distinta

   Esta ley fue la enunció Willebord Snell, astrónomo y matemático holandés en 1620


      Ley de Snell: Cuando la luz pasa de un medio de índice de
        refracción ni a otro medio de índice de refracción nr, los
        ángulos de incidencia i y de refracción r cumplen la relación:
                            ni sen i = nr sen r


Rayo incidente
                 N
                          Rayo incidente
                                             N                                 ˆ
                                                                           sen i      V1
                                                                               ˆ
                                                                           sen r      V2
 Medio 1                           Medio 1

 Medio 2                           Medio 2                             ˆ
                                                                   sen i   v1      c / n1        n2
                 Rayo refractado                 Rayo refractado
                                                                       ˆ
                                                                   sen r   v2      c / n2        n1
La luz se propaga más               La luz se propaga más
rápido en el medio 2 que            rápido en el medio 1 que
en el 1 (n2 menor que n1)           en el 2 (n1 menor que n2)
                                                                                            14
REFLEXIÓN TOTAL
Un rayo de luz se acerca a la normal cuando pasa de un medio de menor índice de
 refracción a otro de mayor, y se aleja de ella en caso contrario

                                                      Si los rayos de luz pasan de un
            N                       N                  medio B a otro medio A con
                                                       índice de refracción menor:

                                                     Los rayos incidentes forman con la
                                                      normal ángulos cada vez mayores

 A                                                    Los rayos refractados se alejan de
                                                       la normal hasta formar con ella un
                                                       ángulo de 90º (ángulo límite L)
Rayo                                    Rayo
                                                      El rayo incidente deja de pasar al
reflejado                               reflejado
                L                   L                 siguiente medio
                                                                              ˆ         ˆ
                                                                       n1 sen i n 2 sen r
                                                    si r =90º sen r = 1
 B
                                                                     ˆ     n2
                                                                 sen i
                    Fuente de luz             n1 sen iˆ n 2                n1           15
LA DISPERSIÓN DE LA LUZ                                         La luz blanca está formada por una
                                                                mezcla de luces de diversos colores y
                                                                cada color corresponde a una
                                                                determinada longitud de onda, siendo
                                                                el extremo del espectro luminoso
                                   rojo     violet              visible (mínima frecuencia) el rojo y el
                                             a                  otro extremo el violeta.
Luz                                                       Rojo
blanca                                                                   Físicamente el color no existe,
                                                          Naranja
                                                                         se trata de una sensación
                                                          Amarillo       fisiológica y psicológica que
                                                          Verde          sólo algunas especies
                                                          Azul           animales comparten con el
                                                          Índigo         hombre. El color que se
                 Prisma                                                  percibe no es más que el
                                                          Violeta
                                                                         resultado que proporciona la
                                                                         medida que lleva a cabo el ojo
                                                                         y la interpretación que realiza
                                                                         el cerebro de la luz que recibe.
  Obtención del espectro continuo de la
   luz, al hacer pasar un rayo de luz
   solar a través del prisma                         Los diferentes objetos que nos
                                                     rodean reciben luz y absorben la
                                                     mayoría de las radiaciones, pero
 La dispersión de la luz es la separación            reflejan algunas que
 de un rayo de luz en sus componentes
                                                     corresponden al color con el que
     debido a su diferente índice de
                refracción
                                                     les vemos                                    16
PRISMA ÓPTICO
                                                   = ángulo del prisma
                                                   = ángulo de desviación
        N
                                                r2 = ángulo de refracción a la salida del prisma
                                     N
                                                i = ángulo incidente al entrar el rayo luminoso
                                                en el prisma
   i1
                                r2
            r1        i2
                                                        r1 i2            r1   i2
                                                       (i1 r1 ) (r2 i2 )

                                                        i1 r1 r2         r1

                                                           ˆ iˆ1 r2 ˆ
                                                                 ˆ
        N
                                 N        El ángulo de desviación mínima es el que
                                         corresponde a un rayo tal que en el interior del
   i1                      r2
                                         prisma se desplaza paralelo a la base. Este rayo es
                                         de hecho el que menos se desvía al atravesar el
            r1   i2
                                         prisma.

                                     Sale el rayo con la misma inclinación que entra por
                                     lo que i es igual que r2 y queda

                                               ˆ 2iˆ1 ˆ                                    17
INTERFERENCIAS
                                                              Se forma una banda de
                                                               interferencias con una
                                                               serie de franjas paralelas
                                       Máx                     claras y oscuras
                                       (n=2)

                                 Mín                          Se observa que luz más
             S1                           Máx                  luz puede dar oscuridad
                                          (n=1)
                                 Mín                         La diferencia de caminos
                                               Máx            entre los rayos que
        d                                      (n=0)
                                                              parten de ambas rendijas
F                                Mín
                                                              y llegan a un mismo
                                          Máx                 punto de la pantalla es:
             S2                           (n=1)
                                 Mín                                      d sen
                                       Máx
                                       (n=2)                  Las franjas iluminadas
                                                              corresponden a ondas
                                                              que llegan en fase
                    Pantalla
                                                                 x2 – x1 = d sen   =n
    Las franjas oscuras corresponden a ondas que llegan en oposición de fase. Se produce
     cuando:                                      (2n 1)
                                x2 – x1 = d sen =
                                                     2                               18
DIFRACCIÓN
 Es el cambio en la dirección de propagación que sufre una
  onda, sin cambiar de medio, cuando se encuentra un
  obstáculo en su camino

   Para poder observar este fenómeno, las dimensiones del
    objeto deben ser del mismo orden o menor que la longitud
    de onda

  El principio de Huygens permite explicar el fenómeno de la
   difracción

  Al llegar a la abertura, los puntos del frente de onda actúan
   como emisores de ondas elementales. El frente de la nueva
   onda queda determinado por la relación entre el tamaño de
   la longitud de onda y el obstáculo
   Podemos recibir un sonido cuando tenemos un obstáculo
    delante que nos impide ver la fuente. La longitud de onda
    del sonido se encuentra entre 2 cm y 20 m y puede salvar
    obstáculos de estas dimensiones


Para la luz, la longitud de onda es del orden de 10-7 m     19
POLARIZACIÓN DE LA LUZ
 La polarización solo puede presentarse en los movimientos ondulatorios de vibración
  transversal

Es una propiedad exclusiva de las ondas transversales que consiste en la vibración del
 campo eléctrico y del magnético en una dirección preferente sobre las demás


 En general las ondas electromagnéticas                 Polarización lineal
  no están polarizadas, lo que significa
  que el campo eléctrico y el magnético
  pueden vibrar en cualquiera de las              El vector E siempre vibra en
  infinitas   direcciones    que    son               una misma dirección
                                                          Z
  perpendiculares a la dirección de
  propagación
                                                              E



                                                   X
 Se produce la polarización cuando se
                                                                    E
  consigue que la vibración se realice                                                 Y
  en una dirección determinada


Para estudiar el fenómeno, se observa la dirección de vibración del campo
 eléctrico pues el magnético, por ser perpendicular al eléctrico y a la dirección de
 propagación, queda fijado automáticamente                                                 20
Es un método de polarización que consiste en la absorción de la luz que vibra en todas
   las direcciones menos en una



 Tras atravesar la luz determinadas
  sustancias, la vibración en un
  plano se mantiene, mientras que
  en el resto de los planos, está tan
  atenuada que no se percibe




Este efecto se produce en aquellos
 materiales sintéticos denominados
 polaroides, y tienen gran poder
                                                                              Filtro
 antirreflectante
                                                                              polarizador



 Las turmalinas son unos minerales que producen el mismo efecto que los polaroides


                                                                                     21
ÓPTICA GEOMÉTRICA
Óptica geométrica es la parte de la física que estudia la trayectoria de la luz cuando
 experimenta reflexiones y refracciones en la superficie de separación entre medios


Sistema óptico es un conjunto de medios materiales limitados por superficies de
 cualquier naturaleza

Modelo de rayo de luz es un modelo que supone que la luz no se difracta y consiste
 en una línea de avance perpendicular al frente de onda

                                  Reversibles en su propagación
            Los rayos son:
                                  Independientes de otros rayos

                                  Estigmático
            Sistema óptico:       Astigmático
                                  Centrado
                                                              Reales
                                   Según su naturaleza
                                                              Virtuales
            Las imágenes
                                                              Derechas
                                   Según su posición          Invertidas
                                                                                   22
CONVENIO DE SIGNOS

Normas DIN                                    OY   Propagación




            Y>0                s<0


                                 •                          •
                                 F’                         F    Y’<0   OX


                                      f ’<0         f>0


Las magnitudes que hacen referencia a la imagen son las mismas que las referidas al
 objeto añadiéndoles el signo <<prima>>

La luz siempre se propaga de izquierda a derecha

En la dirección OX, las distancias son positivas hacia la derecha del vértice del sistema
 óptico, y negativas en caso contrario

En la dirección OY, las magnitudes medidas por encima del eje óptico son                23
 positivas, y las medidas por debajo, negativas
CONSTRUCCIÓN GEOMÉTRICA DE IMÁGENES EN UN
              ESPEJO PLANO


                                            Espejo

                                                            El observador ve la
                                                            imagen A’ de A
                                                            porque recibe el rayo
                                                            reflejado en el espejo

                                           M




                     A                                         A’




La formación de imágenes en espejos planos se rigen por las leyes de la reflexión

                  La imagen formada por un espejo plano es
                   virtual y simétrica respecto al plano del espejo
                                                                                     24
ESPEJOS ESFÉRICOS

           Espejo cóncavo

                                                                              Espejo convexo

                  R
      C               F         O
       •               •                                                          R
Eje
                            f                                                 F         C
                                                                          •             •
                                                 Eje
                                                                      f




                                    C: Centro de curvatura
                                    R: Radio de curvatura
                                    O: Centro del espejo
                                    F: Foco
                                    f : Distancia focal
                                    Eje: Eje principal o eje óptico
                                                                                            25
CÁLCULO DE LA DISTANCIA FOCAL


A                  M                                               A
                                                                                                M

                                        R                                      R
               h                                                                                             h
                          2         F                C                             F    2           O
                                                                       C
                                   •                 •                 •            •
    Eje                                                          Eje
                          f                                                                 f


Espejo convexo                                                             Espejo cóncavo



    Para un espejo convexo, y con rayos paraxiales (forman ángulos 10º con el eje óptico),
      resulta válida la aproximación tg 2 = 2 tg
                               h                                 Para un espejo cóncavo, la
    En OMF :       tg 2
                               f            h   2h           R   expresión es equivalente, pero al
                                                         f
                              h             f   R            2   ser el radio negativo, también lo
    En OMF :       tg
                              R                                  será la distancia focal

     La distancia focal de un espejo esférico es igual a la mitad del radio de curvatura
                                                                                                        26
FORMACIÓN DE IMÁGENES EN ESPEJOS ESFÉRICOS




                                             M
                  A
                                         N
                                                      A’


                                                              •                 •
           Eje    B                      O            B’      F                 C

  Para situar la posición de la imagen
   basta con trazar dos rayos,
   aunque se dispone de tres fáciles
   de dibujar:


  El rayo AM: paralelo al eje, se refleja de modo que él o su prolongación pasa por el foco
  El rayo AN: incide normal al espejo, su prolongación pasa por C, y vuelve por la misma
   dirección
  El rayo AF: dirigido hacia el foco, se refleja paralelo al eje                      27
IMAGEN FORMADA POR ESPEJOS CÓNCAVOS


                               A




                                        C   B’   F         O
                                       •          •
                        Eje    B


                                            A’




 Si el objeto está situado entre ...

  El infinito y el centro de curvatura, la imagen es real, invertida y menor que el objeto

  El centro de curvatura y el foco, la imagen es real, invertida y de mayor tamaño

   El foco y el espejo, las prolongaciones de los rayos reflejados forman la imagen
    virtual, derecha y de mayor tamaño
                                                                                         28
El objeto se sitúa entre el centro de
El objeto se sitúa más allá del centro de curvatura      curvatura y el foco.




        C     F                                                       C    F




Imagen real invertida y más
                                                          Imagen real, invertida y más
pequeña que el objeto
                                                          grande que el objeto
El objeto se sitúa sobre el centro de curvatura.
                                                       El objeto se sitúa entre el foco y el centro
                                                           del espejo.


        C    F
                                                                 C    F



Imagen real invertida y del mismo
                                                        Imagen virtual derecha y más
tamaño que el objeto.
                                                        grande que el objeto.

                                                                                             29
IMAGEN FORMADA POR ESPEJOS CONVEXOS



                            A


                                                 A’

                                    O
                                                      •   •
                      Eje   B                   B’    F   C




  Independientemente del lugar donde se coloque el objeto el espejo convexo siempre
     produce el mismo tipo de imágenes

      Las imágenes de los objetos son siempre virtuales, derechas y de menor tamaño que
       el objeto

La imagen es más pequeña cuento más alejado está el objeto por lo que los espejos
convexos amplían el campo de visión y se utilizan en garajes y esquinas.            30
ECUACIÓN DE LOS ESPEJOS

   Dos rayos parten del extremo A

   El rayo AM se refleja y su prolongación
    pasa por F                                                            A                 M
   AO se refleja y su prolongación corta a
    la prolongación del rayo AM en A’                                 y
                                                                                                      A’


   Como BAO y B’A’O son semejantes                                                                     y’
       A' B'   OB'           y'       s' (1)                                                                •        •
                                                               Eje        B            O N            B’    F        C
       AB      OB            y       ( s)
El cociente entre los tamaños objeto e imagen                                 s                 s’
 se llama aumento lateral A:
                        y'               s'
                 A
                        y                s
                                                            A' B'     B' F        y'   f         s'
   Como NMF y B’A’F son semejantes                                                                    (2)
                                                            MN        NF          y         f
                                    s'        f    s'
   Igualando (1) y (2):
                                    s          f                                           1          1     1
                              s'         f s'           1        f      s'
   Dividiendo por s’:                                                                      s'         s     f   31
                             s s'         f s'          s      f s'    f s'
EL DIOPTRIO PLANO

  El dioptrio plano es un caso particular del dioptrio si se considera que el radio de
   curvatura del dioptrio es infinito


  En tal caso, la relación entre las
   distancias imagen y objeto es:                                             N        N


       n2    n1    n2     n1
       s'    s                                Profundidad
                                              aparente
       n1   n2                  n2
                        s'         s
       s    s'                  n1            Profundidad
                                              real


 El aumento lateral es:
          y'    n1 s'
      A                                     La profundidad aparente de un objeto
          y     n2 s                         sumergido en agua es menor que la real. De
                                             la expresión del dioptrio plano se deduce:
                                  n                         prof . aparente       s'   n2
                               n1 2 s                          prof . real        s    n1
                                  n1
Sustituyendo s’:    A                   1
                                 n2 s
                                                                                            32
LENTES DELGADAS

                                                Una lente es un material transparente limitado
                                                 por dos superficies esféricas, o por una
           1)   2)                               esférica y una plana

                                                 Una lente puede considerarse como la
                                                 asociación de dos dioptrios
   P                   P’’     P’
                                                 Si el espesor de la lente en el eje óptico es
                 s’’
                                                  despreciable frente a los radios de las caras
                       s’                         de la lente, la lente se denomina delgada
       s
                                           1     1                 1       1                  y        s
La ecuación de las leyes delgadas es:                (n   1)
                                           s'    s                 r1      r2
                                                                                              y        s
La llamada ecuación del fabricante de lentes es:               1                1    1
                                                                        (n 1)
                                                               f                r1   r2
                                              1     1   1
En las lentes delgadas f = – f’, ´resultando:
                                              f'   s'   s
Las lentes se especifican indicando el valor de su potencia, cuyo valor es:                       1
                                                                                          P
                                                                                                  f'
                                                                                                       33
  Su unidad es la dioptría (1 D = 1 m-1)
LENTES CONVERGENTES

Una lente es convergente cuando la distancia focal imagen, f ’ es positiva




         •                   •
         F                  F’




                                                                               Menisco
                                            Biconvexa     Planoconvexa       convergente

           1                                                                  r1 > 0
f'                     f’ es positiva si:
            1   1                             r1 > 0         r1 > 0           r2 > 0
     (n 1)
           r1   r2                            r2 < 0         r2 =             r1 < r2
                                                                                        34
LENTES DIVERGENTES
Una lente es divergente cuando la distancia focal imagen, f ’ es negativa




       •                       •
      F’                      F




                                                                             Menisco
                                             Bicóncava      Planocóncava
                                                                            divergente

           1                                                                 r1 < 0
f'                    f’ es negativa si:                        r1 =         r2 < 0
            1   1                              r1 < 0
     (n 1)                                                      r2 > 0       r1 < r2
           r1   r2                             r2 > 0
                                                                                   35
FORMACIÓN DE IMÁGENES EN LENTES

 El comportamiento de las lentes depende de que sean convergentes o divergentes y
  además, de la situación del objeto con respecto a ellas

Los puntos situados sobre el eje del sistema, tienen su imagen en éste


De los infinitos rayos que pasan por un punto A del objeto basta tomar dos que
 converjan en un punto, que será la imagen A’. Aún así, es fácil dibujar tres rayos:




El rayo que incide paralelo al eje se desvía y pasa por el foco imagen F’. Si la lente es
 divergente, por F’ pasa la prolongación del rayo emergente

  El rayo que pasa por el foco objeto F sale paralelo al eje

  El rayo que pasa por el centro de la lente no sufre desviación




                                                                                     36
FORMACIÓN DE IMÁGENES CON LENTES CONVERGENTES

OBJETO LEJANO   objeto situado a una distancia de la lente superior a la focal (s > f)




      A                                M




                                                                      B’
                           •                                •
     B                     F               O                F’


                                                                       A’



                       S                                  S’

                                                                                     37
Objeto más allá de 2f:                  Objeto entre 2f y Fo:



                   FI
        2f   FO                                        FI
                                          2f   FO




Imagen real, invertida y menor       Imagen real, invertida y mayor que
que el objeto                        el objeto
                                      Objeto entre Fo y S:
Objeto en 2f:


                                                            FI
                  FI    2f´             FO
   2f        FO


                                  Imagen virtual, derecha y mayor
                                  que el objeto
Imagen real invertida, de igual   Este es el efecto de las LUPAS que
                                  hacen ver los objetos más grandes y   38
tamaño que el objeto
                                  como si estuvieran más cerca.
FORMACIÓN DE IMÁGENES CON LENTES DIVERGENTES

OBJETO LEJANO   objeto situado a una distancia de la lente superior a la focal (s > f)




         A



                                     A’

                                •                             •
          B                     F’    B’                      F



                                           S’

                            S



                                                                                     39
OBJETO ENTRE EL FOCO Y LA LENTE     (s < f)




                      A


                          A’



                  •                           •
                 F’ B     B’                  F



                               S’

                          S




                                                  40
COMBINACIÓN DE LENTES

La imagen formada por la primera y1' hace de objeto para la segunda, que produce la
 imagen final y’


                          S          S’


             A                M
      B’’        y
                                    F’1       F2 B’
                      •             •          •   y’1
                                                                •
             B        F1      O                          O       F’2
                                                   A’

        y’


                                                                    Microscopio
                                          L                         compuesto

      A’’

   El aumento total es el cociente entre el tamaño de la imagen final
   y el del objeto                                                                41
El microscopio está formado por dos lentes convergentes llamadas objetivo y
ocular. Sirve para aumentar el tamaño con que se ven los objetos pequeños y
poder verlos mejor.

La primera lente (objetivo) tiene una distancia focal pequeña, la segunda lente (ocular)
tiene una distancia focal mucho mayor. A la distancia entre el foco imagen del objeto F´1
y el foco objeto del ocular F2 se le llama L = longitud del tubo del microscopio.

        25 L
 A                 A es el aumento, va todo en cm y viene indicado en los microscopios
        f1 f 2     como x10, x50 x100, etc.


           Lente objetivo     Lente ocular
                        L
                                                          Imagen virtual, invertida y
                     F´1     F2                           mucho más grande que
                                          F´2             el objeto




                                                                                            42
ÓPTICA DE LA VISIÓN


Conos                       El interior del ojo humano está formado por una
                             serie de medios transparentes a la luz donde
                 Bastones
                             pueden aplicarse las leyes de la óptica geométrica



                                Cristalino: Actúa como una lente biconvexa
                                            Humor acuoso:disolución salina con n= 1,34


                                                     Córnea
    Imagen


                                                                                     Objeto

                                                     Pupila

 Nervio óptico                                Iris: controla el paso de la luz al interior


                               Humor vítreo

                                                                                             43
El cristalino es una lente deformable que hace posible la visión a distintas distancias


                                                         PROCESO DE ACOMODACIÓN
Cuando el objeto que se pretende ver está en
 el infinito, el cristalino se encuentra en reposo

                                                                                      F’
                                                                                  •
Al acercarse el objeto, los músculos ciliares
 comprimen el cristalino aumentando su radio
 de curvatura y reduciendo su distancia focal,
 permitiendo que siempre se formen las
 imágenes a la misma distancia: en la retina
                                                                             F’
                                                                             •
Este proceso denominado acomodación, está
 limitado por la elasticidad del cristalino y es
 involuntario

El punto próximo es el más cercano al ojo en
 el que puede colocarse un objeto para ser                                 F’
 visto con nitidez                                                         •

El punto remoto es el más alejado donde se
                                                                                           44
 puede observar con nitidez un objeto
DEFECTOS DE LA VISIÓN

MIOPÍA




                         Defecto                      Corrección
                 La imagen se forma por    Mediante una lente divergente
                 delante de la retina      se consigue un enfoque correcto



HIPERMETROPÍA




                         Defecto                       Corrección
                 La imagen se forma        Mediante una lente convergente
                 por detrás de la retina   se consigue un enfoque correcto
                                                                             45

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Luz y optica geometrica

  • 1. ÓPTICA FÍSICA Y ÓPTICA GEOMÉTRICA JUAN CARLOS SOCHA MARSHALL 1
  • 2. La Óptica o ciencia que estudia la luz, es una de las ramas más antiguas de la física. La óptica geométrica se basa en el concepto de rayo luminoso como trayectoria que siguen las partículas materiales emitidas por los cuerpos luminosos sin preocuparse de estudiar cual es la naturaleza de la luz. La óptica física estudia los fenómenos luminosos e investiga cual es la naturaleza de la luz. 2
  • 3. LA NATURALEZA DE LA LUZ ·· ·· · ·· ·· · · · ·· ·· · ·· · · · ·· · · · ·· · ··· Durante siglos se creyó que la luz consistía en un chorro de partículas emitidas por una fuente luminosa Los demás cuerpos se veían debido a que se reflejan algunos de los corpúsculos que los golpean, y al llegar estas partículas al ojo, se producía la sensación de ver. Esto explicaba la reflexión de la luz en un espejo 3
  • 4. EL MODELO CORPUSCULAR DE NEWTON Isaac Newton publica en 1704 su óptica y asienta el modelo corpuscular de la luz sobre las ideas de Descartes. Supone que la luz está formada por corpúsculos materiales que son lanzados a gran velocidad por los cuerpos emisores de luz. Este modelo explica y se basa en: La propagación rectilínea de la luz: la luz está Vx formada por pequeñas partículas que viajan a Vy Vy gran velocidad, pero no infinita, de manera que sus trayectorias rectilíneas constituyen los rayos Vx luminosos. La ley de la reflexión: al incidir la luz en una Aire superficie lisa como la de un espejo choca con Agua dicha superficie y se refleja del mismo modo que una bala choca contra una placa de acero. Vx La ley de la refracción o cambio en la dirección de la trayectoria que experimenta la luz cuando pasa de un medio a otro diferente, por ejemplo, del Vy aire al agua. La refracción es debida a la diferente densidad de los medios por los que atraviesa la luz Sus métodos mecánicos le condujeron a conclusiones erróneas, al afirmar que la 4 velocidad de la luz era superior en el agua que en el aire
  • 5. Modelos ondulatorios Modelo ondulatorio de Huygens En 1690 publicó su teoría sobre la propagación de la luz como un movimiento ondulatorio que necesitaba de un medio material llamado éter, para propagarse Desechaba la posibilidad de que se tratara de un movimiento corpuscular ya que dos haces de luz podían cruzarse sin estorbarse Su mayor error fue considerar la ondas de luz longitudinales, como las del sonido que se propaga en un medio aun no descubierto que llamó “éter”. Consideraba el “éter “ como un fluido impalpable que todo lo llena incluso donde parece no haber nada, el vacío, luego no existe el vacío ya que está lleno del “éter”. Considera la luz como ondas esféricas y concéntricas con centro en el punto donde se origina la perturbación (foco luminoso). La discusión entre el modelo corpuscular de Newton y el ondulatorio de Huygens fue ganada por Newton en un primer momento debido a su mayor prestigio y fama como científico y a que los experimentos que se conocían en aquella época apoyaban a Newton 5
  • 6. Vuelve a tomarse en consideración la teoría ondulatoria de la luz en el siglo XIX gracias a los trabajos de difracción e interferencias con rayos luminosos de Young. Se observa que los rayos luminosos cumplen el principio de superposición de manera que cuando dos rayos de diferentes orígenes coinciden en la misma dirección su efecto es una combinación (superposición) de ambos y una vez traspasado el lugar de la superposición siguen con su forma original, comportamiento claramente ondulatorio . Young propone que la luz está formada por ondas transversales. Malus estudia el fenómeno de polarización de la luz y Fresnel deduce que puesto que la luz se polariza debe ser efectivamente una onda transversal y tridimensional. Modelo ondulatorio de Fresnel Estableció que las vibraciones en la luz no pueden ser longitudinales, sino que deben ser perpendiculares a la dirección de propagación, y por tanto transversales Basándose en este concepto enunció matemáticamente la ley de la reflexión Faraday estableció una interrelación entre electromagnetismo y luz cuando encontró que la dirección de polarización de un rayo luminoso puede alterarse por la acción de un fuerte campo magnético. Sugirió que la luz podría tener naturaleza 6 electromagnética.
  • 7. MODELO ONDULATORIO DE MAXWELL E B Campo magnético E Campo eléctrico B B E James Clerk Maxwell demostró que las ondas luminosas son electromagnéticas, del tipo de las ondas de radio, y no necesitan medio alguno para propagarse La frecuencia de las ondas luminosas es mucho mayor que las de radio, e impresionan la retina del ojo 1 c . Hertz produce por primera vez ondas electromagnéticas (luz) a partir de circuitos eléctricos alternos y realiza con ellas reflexión, refracción e interferencias. 7
  • 8. EFECTO FOTOELÉCTRICO Fotón e Consiste en la obtención de electrones libres de un metal cuando sobre este incide un haz de luz Un aumento de la intensidad luminosa no suponía un incremento de la energía cinética de los electrones emitidos La luz interacciona con los electrones de la materia en cantidades discretas que se denominan cuantos La energía de un cuanto es: E = h siendo la frecuencia y h la constante de Planck cuyo valor es h = 6,62 . 10-34 J.s Einstein rechaza la existencia del “éter” y admite que la luz se propaga en el vacío con una velocidad de 3.108 m/s 8
  • 9. La luz se debe a la oscilación de las cargas eléctricas que forman la materia, es una perturbación electromagnética que se propaga en forma ondulatoria transversal en el vacío. Una onda electromagnética se produce por la variación en algún lugar del espacio de las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia. NATURALEZA CORPUSCULAR DE LA LUZ Para observar la presión luminosa se sitúan dos espejos planos en los extremos de una barra suspendida por su centro y orientados en sentidos opuestos Se hace incidir dos haces de luz de gran intensidad produciendo un giro, de modo que se puede calcular el valor de la presión que la luz ejerce sobre los espejos Esto demuestra que la luz se comporta en ocasiones como una partícula Louis de Broglie afirmó en 1922 que la luz tiene doble 9 naturaleza: ondulatoria y corpuscular
  • 10. EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Ondas de radio Infrarrojos Ultravioleta Rayos gamma Luz visible Microondas Rayos X Las ondas electromagnéticas difieren entre sí en su frecuencia y en su longitud de onda, pero todas se propagan en el vacío a la misma velocidad Las longitudes de onda cubren una amplia gama de valores que se denomina espectro electromagnético 10
  • 11. ÍNDICE DE REFRACCIÓN INDICE DE REFRACCIÓN: es la relación que existe entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en un determinado medio. c n v Puede definirse el índice de n2 refracción relativo entre dos n 2,1 Índice de refracción de algunas medios como: n1 sustancias Aire 1,00 tomándose en general al vacío como medio 1 Agua 1,33 La velocidad de la luz en el vacío es igual a Aceite 1,45 3.108 m/s; y es la velocidad máxima que existe. Vidrio para botellas 1,52 Vidrio crown ligero 1,54 Un índice de refracción pequeño indica una velocidad grande. Vidrio flint ligero 1,58 Cristalino 1,44 El índice de refracción del aire se puede tomar como 1 ya que la velocidad de la luz en el aire es aproximadamente Cuarzo 1,54 igual que en el vacío. Diamante 2,42 Nailon 66 1,53 Medios Isótropos: tienen igual índice de refracción en todas las direcciones. Medios Anisótropos: tienen diferente índice de refracción 11 según la dirección que se tome.
  • 12. REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ Foco Rayo reflejado N Tanto en la reflexión como en la refracción, el rayo incidente, la Rayo incidente ’ normal y los rayos ri i i ri’ reflejados o refractados se encuentran en el mismo plano. A S B O r rr ’ Rayo refractado 12
  • 13. REFLEXIÓN el rayo de luz llega a la separación de dos medios y sale rebotado. La reflexión es el fenómeno por el cual el rayo incidente sigue propagándose por el medio de incidencia. Este fenómeno permite ver objetos no luminosos Dependiendo del tipo de superficie, lisa o irregular, la reflexión será especular, o difusa REFLEXIÓN ESPECULAR REFLEXIÓN DIFUSA Normales Normales Rayo Rayo Rayo reflejado reflejado incidente Superficie regular Superficie irregular En cualquier caso, el ángulo que forma el rayo incidente con la normal ( i), es igual al formado por la normal y el reflejado ( r) 13
  • 14. REFRACCIÓN La refracción es la desviación que experimenta la dirección de propagación de la luz cuando pasa de un medio a otro en el que su velocidad es distinta Esta ley fue la enunció Willebord Snell, astrónomo y matemático holandés en 1620 Ley de Snell: Cuando la luz pasa de un medio de índice de refracción ni a otro medio de índice de refracción nr, los ángulos de incidencia i y de refracción r cumplen la relación: ni sen i = nr sen r Rayo incidente N Rayo incidente N ˆ sen i V1 ˆ sen r V2 Medio 1 Medio 1 Medio 2 Medio 2 ˆ sen i v1 c / n1 n2 Rayo refractado Rayo refractado ˆ sen r v2 c / n2 n1 La luz se propaga más La luz se propaga más rápido en el medio 2 que rápido en el medio 1 que en el 1 (n2 menor que n1) en el 2 (n1 menor que n2) 14
  • 15. REFLEXIÓN TOTAL Un rayo de luz se acerca a la normal cuando pasa de un medio de menor índice de refracción a otro de mayor, y se aleja de ella en caso contrario Si los rayos de luz pasan de un N N medio B a otro medio A con índice de refracción menor: Los rayos incidentes forman con la normal ángulos cada vez mayores A Los rayos refractados se alejan de la normal hasta formar con ella un ángulo de 90º (ángulo límite L) Rayo Rayo El rayo incidente deja de pasar al reflejado reflejado L L siguiente medio ˆ ˆ n1 sen i n 2 sen r si r =90º sen r = 1 B ˆ n2 sen i Fuente de luz n1 sen iˆ n 2 n1 15
  • 16. LA DISPERSIÓN DE LA LUZ La luz blanca está formada por una mezcla de luces de diversos colores y cada color corresponde a una determinada longitud de onda, siendo el extremo del espectro luminoso rojo violet visible (mínima frecuencia) el rojo y el a otro extremo el violeta. Luz Rojo blanca Físicamente el color no existe, Naranja se trata de una sensación Amarillo fisiológica y psicológica que Verde sólo algunas especies Azul animales comparten con el Índigo hombre. El color que se Prisma percibe no es más que el Violeta resultado que proporciona la medida que lleva a cabo el ojo y la interpretación que realiza el cerebro de la luz que recibe. Obtención del espectro continuo de la luz, al hacer pasar un rayo de luz solar a través del prisma Los diferentes objetos que nos rodean reciben luz y absorben la mayoría de las radiaciones, pero La dispersión de la luz es la separación reflejan algunas que de un rayo de luz en sus componentes corresponden al color con el que debido a su diferente índice de refracción les vemos 16
  • 17. PRISMA ÓPTICO = ángulo del prisma = ángulo de desviación N r2 = ángulo de refracción a la salida del prisma N i = ángulo incidente al entrar el rayo luminoso en el prisma i1 r2 r1 i2 r1 i2 r1 i2 (i1 r1 ) (r2 i2 ) i1 r1 r2 r1 ˆ iˆ1 r2 ˆ ˆ N N El ángulo de desviación mínima es el que corresponde a un rayo tal que en el interior del i1 r2 prisma se desplaza paralelo a la base. Este rayo es de hecho el que menos se desvía al atravesar el r1 i2 prisma. Sale el rayo con la misma inclinación que entra por lo que i es igual que r2 y queda ˆ 2iˆ1 ˆ 17
  • 18. INTERFERENCIAS Se forma una banda de interferencias con una serie de franjas paralelas Máx claras y oscuras (n=2) Mín Se observa que luz más S1 Máx luz puede dar oscuridad (n=1) Mín La diferencia de caminos Máx entre los rayos que d (n=0) parten de ambas rendijas F Mín y llegan a un mismo Máx punto de la pantalla es: S2 (n=1) Mín d sen Máx (n=2) Las franjas iluminadas corresponden a ondas que llegan en fase Pantalla x2 – x1 = d sen =n Las franjas oscuras corresponden a ondas que llegan en oposición de fase. Se produce cuando: (2n 1) x2 – x1 = d sen = 2 18
  • 19. DIFRACCIÓN Es el cambio en la dirección de propagación que sufre una onda, sin cambiar de medio, cuando se encuentra un obstáculo en su camino Para poder observar este fenómeno, las dimensiones del objeto deben ser del mismo orden o menor que la longitud de onda El principio de Huygens permite explicar el fenómeno de la difracción Al llegar a la abertura, los puntos del frente de onda actúan como emisores de ondas elementales. El frente de la nueva onda queda determinado por la relación entre el tamaño de la longitud de onda y el obstáculo Podemos recibir un sonido cuando tenemos un obstáculo delante que nos impide ver la fuente. La longitud de onda del sonido se encuentra entre 2 cm y 20 m y puede salvar obstáculos de estas dimensiones Para la luz, la longitud de onda es del orden de 10-7 m 19
  • 20. POLARIZACIÓN DE LA LUZ La polarización solo puede presentarse en los movimientos ondulatorios de vibración transversal Es una propiedad exclusiva de las ondas transversales que consiste en la vibración del campo eléctrico y del magnético en una dirección preferente sobre las demás En general las ondas electromagnéticas Polarización lineal no están polarizadas, lo que significa que el campo eléctrico y el magnético pueden vibrar en cualquiera de las El vector E siempre vibra en infinitas direcciones que son una misma dirección Z perpendiculares a la dirección de propagación E X Se produce la polarización cuando se E consigue que la vibración se realice Y en una dirección determinada Para estudiar el fenómeno, se observa la dirección de vibración del campo eléctrico pues el magnético, por ser perpendicular al eléctrico y a la dirección de propagación, queda fijado automáticamente 20
  • 21. Es un método de polarización que consiste en la absorción de la luz que vibra en todas las direcciones menos en una Tras atravesar la luz determinadas sustancias, la vibración en un plano se mantiene, mientras que en el resto de los planos, está tan atenuada que no se percibe Este efecto se produce en aquellos materiales sintéticos denominados polaroides, y tienen gran poder Filtro antirreflectante polarizador Las turmalinas son unos minerales que producen el mismo efecto que los polaroides 21
  • 22. ÓPTICA GEOMÉTRICA Óptica geométrica es la parte de la física que estudia la trayectoria de la luz cuando experimenta reflexiones y refracciones en la superficie de separación entre medios Sistema óptico es un conjunto de medios materiales limitados por superficies de cualquier naturaleza Modelo de rayo de luz es un modelo que supone que la luz no se difracta y consiste en una línea de avance perpendicular al frente de onda Reversibles en su propagación Los rayos son: Independientes de otros rayos Estigmático Sistema óptico: Astigmático Centrado Reales Según su naturaleza Virtuales Las imágenes Derechas Según su posición Invertidas 22
  • 23. CONVENIO DE SIGNOS Normas DIN OY Propagación Y>0 s<0 • • F’ F Y’<0 OX f ’<0 f>0 Las magnitudes que hacen referencia a la imagen son las mismas que las referidas al objeto añadiéndoles el signo <<prima>> La luz siempre se propaga de izquierda a derecha En la dirección OX, las distancias son positivas hacia la derecha del vértice del sistema óptico, y negativas en caso contrario En la dirección OY, las magnitudes medidas por encima del eje óptico son 23 positivas, y las medidas por debajo, negativas
  • 24. CONSTRUCCIÓN GEOMÉTRICA DE IMÁGENES EN UN ESPEJO PLANO Espejo El observador ve la imagen A’ de A porque recibe el rayo reflejado en el espejo M A A’ La formación de imágenes en espejos planos se rigen por las leyes de la reflexión La imagen formada por un espejo plano es virtual y simétrica respecto al plano del espejo 24
  • 25. ESPEJOS ESFÉRICOS Espejo cóncavo Espejo convexo R C F O • • R Eje f F C • • Eje f C: Centro de curvatura R: Radio de curvatura O: Centro del espejo F: Foco f : Distancia focal Eje: Eje principal o eje óptico 25
  • 26. CÁLCULO DE LA DISTANCIA FOCAL A M A M R R h h 2 F C F 2 O C • • • • Eje Eje f f Espejo convexo Espejo cóncavo Para un espejo convexo, y con rayos paraxiales (forman ángulos 10º con el eje óptico), resulta válida la aproximación tg 2 = 2 tg h Para un espejo cóncavo, la En OMF : tg 2 f h 2h R expresión es equivalente, pero al f h f R 2 ser el radio negativo, también lo En OMF : tg R será la distancia focal La distancia focal de un espejo esférico es igual a la mitad del radio de curvatura 26
  • 27. FORMACIÓN DE IMÁGENES EN ESPEJOS ESFÉRICOS M A N A’ • • Eje B O B’ F C Para situar la posición de la imagen basta con trazar dos rayos, aunque se dispone de tres fáciles de dibujar: El rayo AM: paralelo al eje, se refleja de modo que él o su prolongación pasa por el foco El rayo AN: incide normal al espejo, su prolongación pasa por C, y vuelve por la misma dirección El rayo AF: dirigido hacia el foco, se refleja paralelo al eje 27
  • 28. IMAGEN FORMADA POR ESPEJOS CÓNCAVOS A C B’ F O • • Eje B A’ Si el objeto está situado entre ... El infinito y el centro de curvatura, la imagen es real, invertida y menor que el objeto El centro de curvatura y el foco, la imagen es real, invertida y de mayor tamaño El foco y el espejo, las prolongaciones de los rayos reflejados forman la imagen virtual, derecha y de mayor tamaño 28
  • 29. El objeto se sitúa entre el centro de El objeto se sitúa más allá del centro de curvatura curvatura y el foco. C F C F Imagen real invertida y más Imagen real, invertida y más pequeña que el objeto grande que el objeto El objeto se sitúa sobre el centro de curvatura. El objeto se sitúa entre el foco y el centro del espejo. C F C F Imagen real invertida y del mismo Imagen virtual derecha y más tamaño que el objeto. grande que el objeto. 29
  • 30. IMAGEN FORMADA POR ESPEJOS CONVEXOS A A’ O • • Eje B B’ F C Independientemente del lugar donde se coloque el objeto el espejo convexo siempre produce el mismo tipo de imágenes Las imágenes de los objetos son siempre virtuales, derechas y de menor tamaño que el objeto La imagen es más pequeña cuento más alejado está el objeto por lo que los espejos convexos amplían el campo de visión y se utilizan en garajes y esquinas. 30
  • 31. ECUACIÓN DE LOS ESPEJOS Dos rayos parten del extremo A El rayo AM se refleja y su prolongación pasa por F A M AO se refleja y su prolongación corta a la prolongación del rayo AM en A’ y A’ Como BAO y B’A’O son semejantes y’ A' B' OB' y' s' (1) • • Eje B O N B’ F C AB OB y ( s) El cociente entre los tamaños objeto e imagen s s’ se llama aumento lateral A: y' s' A y s A' B' B' F y' f s' Como NMF y B’A’F son semejantes (2) MN NF y f s' f s' Igualando (1) y (2): s f 1 1 1 s' f s' 1 f s' Dividiendo por s’: s' s f 31 s s' f s' s f s' f s'
  • 32. EL DIOPTRIO PLANO El dioptrio plano es un caso particular del dioptrio si se considera que el radio de curvatura del dioptrio es infinito En tal caso, la relación entre las distancias imagen y objeto es: N N n2 n1 n2 n1 s' s Profundidad aparente n1 n2 n2 s' s s s' n1 Profundidad real El aumento lateral es: y' n1 s' A La profundidad aparente de un objeto y n2 s sumergido en agua es menor que la real. De la expresión del dioptrio plano se deduce: n prof . aparente s' n2 n1 2 s prof . real s n1 n1 Sustituyendo s’: A 1 n2 s 32
  • 33. LENTES DELGADAS Una lente es un material transparente limitado por dos superficies esféricas, o por una 1) 2) esférica y una plana Una lente puede considerarse como la asociación de dos dioptrios P P’’ P’ Si el espesor de la lente en el eje óptico es s’’ despreciable frente a los radios de las caras s’ de la lente, la lente se denomina delgada s 1 1 1 1 y s La ecuación de las leyes delgadas es: (n 1) s' s r1 r2 y s La llamada ecuación del fabricante de lentes es: 1 1 1 (n 1) f r1 r2 1 1 1 En las lentes delgadas f = – f’, ´resultando: f' s' s Las lentes se especifican indicando el valor de su potencia, cuyo valor es: 1 P f' 33 Su unidad es la dioptría (1 D = 1 m-1)
  • 34. LENTES CONVERGENTES Una lente es convergente cuando la distancia focal imagen, f ’ es positiva • • F F’ Menisco Biconvexa Planoconvexa convergente 1 r1 > 0 f' f’ es positiva si: 1 1 r1 > 0 r1 > 0 r2 > 0 (n 1) r1 r2 r2 < 0 r2 = r1 < r2 34
  • 35. LENTES DIVERGENTES Una lente es divergente cuando la distancia focal imagen, f ’ es negativa • • F’ F Menisco Bicóncava Planocóncava divergente 1 r1 < 0 f' f’ es negativa si: r1 = r2 < 0 1 1 r1 < 0 (n 1) r2 > 0 r1 < r2 r1 r2 r2 > 0 35
  • 36. FORMACIÓN DE IMÁGENES EN LENTES El comportamiento de las lentes depende de que sean convergentes o divergentes y además, de la situación del objeto con respecto a ellas Los puntos situados sobre el eje del sistema, tienen su imagen en éste De los infinitos rayos que pasan por un punto A del objeto basta tomar dos que converjan en un punto, que será la imagen A’. Aún así, es fácil dibujar tres rayos: El rayo que incide paralelo al eje se desvía y pasa por el foco imagen F’. Si la lente es divergente, por F’ pasa la prolongación del rayo emergente El rayo que pasa por el foco objeto F sale paralelo al eje El rayo que pasa por el centro de la lente no sufre desviación 36
  • 37. FORMACIÓN DE IMÁGENES CON LENTES CONVERGENTES OBJETO LEJANO objeto situado a una distancia de la lente superior a la focal (s > f) A M B’ • • B F O F’ A’ S S’ 37
  • 38. Objeto más allá de 2f: Objeto entre 2f y Fo: FI 2f FO FI 2f FO Imagen real, invertida y menor Imagen real, invertida y mayor que que el objeto el objeto Objeto entre Fo y S: Objeto en 2f: FI FI 2f´ FO 2f FO Imagen virtual, derecha y mayor que el objeto Imagen real invertida, de igual Este es el efecto de las LUPAS que hacen ver los objetos más grandes y 38 tamaño que el objeto como si estuvieran más cerca.
  • 39. FORMACIÓN DE IMÁGENES CON LENTES DIVERGENTES OBJETO LEJANO objeto situado a una distancia de la lente superior a la focal (s > f) A A’ • • B F’ B’ F S’ S 39
  • 40. OBJETO ENTRE EL FOCO Y LA LENTE (s < f) A A’ • • F’ B B’ F S’ S 40
  • 41. COMBINACIÓN DE LENTES La imagen formada por la primera y1' hace de objeto para la segunda, que produce la imagen final y’ S S’ A M B’’ y F’1 F2 B’ • • • y’1 • B F1 O O F’2 A’ y’ Microscopio L compuesto A’’ El aumento total es el cociente entre el tamaño de la imagen final y el del objeto 41
  • 42. El microscopio está formado por dos lentes convergentes llamadas objetivo y ocular. Sirve para aumentar el tamaño con que se ven los objetos pequeños y poder verlos mejor. La primera lente (objetivo) tiene una distancia focal pequeña, la segunda lente (ocular) tiene una distancia focal mucho mayor. A la distancia entre el foco imagen del objeto F´1 y el foco objeto del ocular F2 se le llama L = longitud del tubo del microscopio. 25 L A A es el aumento, va todo en cm y viene indicado en los microscopios f1 f 2 como x10, x50 x100, etc. Lente objetivo Lente ocular L Imagen virtual, invertida y F´1 F2 mucho más grande que F´2 el objeto 42
  • 43. ÓPTICA DE LA VISIÓN Conos El interior del ojo humano está formado por una serie de medios transparentes a la luz donde Bastones pueden aplicarse las leyes de la óptica geométrica Cristalino: Actúa como una lente biconvexa Humor acuoso:disolución salina con n= 1,34 Córnea Imagen Objeto Pupila Nervio óptico Iris: controla el paso de la luz al interior Humor vítreo 43
  • 44. El cristalino es una lente deformable que hace posible la visión a distintas distancias PROCESO DE ACOMODACIÓN Cuando el objeto que se pretende ver está en el infinito, el cristalino se encuentra en reposo F’ • Al acercarse el objeto, los músculos ciliares comprimen el cristalino aumentando su radio de curvatura y reduciendo su distancia focal, permitiendo que siempre se formen las imágenes a la misma distancia: en la retina F’ • Este proceso denominado acomodación, está limitado por la elasticidad del cristalino y es involuntario El punto próximo es el más cercano al ojo en el que puede colocarse un objeto para ser F’ visto con nitidez • El punto remoto es el más alejado donde se 44 puede observar con nitidez un objeto
  • 45. DEFECTOS DE LA VISIÓN MIOPÍA Defecto Corrección La imagen se forma por Mediante una lente divergente delante de la retina se consigue un enfoque correcto HIPERMETROPÍA Defecto Corrección La imagen se forma Mediante una lente convergente por detrás de la retina se consigue un enfoque correcto 45