Este documento presenta información sobre óptica geométrica y ondulatoria de la luz. Explica las leyes de la reflexión y refracción, así como conceptos como el índice de refracción. También describe experimentos históricos como el de Young que demostraron la naturaleza ondulatoria de la luz a través de la interferencia y difracción. Por último, introduce el uso de distanciómetros láser.

1. Física III
6to cuatrimestre (2do Parcial)
Bloque III.- Teoría ondulatoria de la luz

2. Secuencia Didáctica 2.- Interferencia, difracción y
polarización. Experimento e investigación.

3. Óptica geométrica- Leyes de la reflexión y refracción
Cuando un haz de luz incide sobre la superficie que separa dos medios ópticos
distintos, en los cuales la luz se propaga a diferentes velocidades, una parte se
transmite y otra parte se refleja, como se indica esquemáticamente en la Fig. 1.
Para un medio cualquiera, el índice de refracción n se define como:
n = c / V
donde :
c es la velocidad de la luz en el vacío (c= 2,99792458x 108
m/s) y
V la velocidad de la luz en ese medio.

4. haz incidente haz reflejado
q1 q2
medio de índice n
haz refractadoq3
medio de índice n' >n
Figura 1 La luz se refleja y se refracta.
En un medio homogéneo e isótropo, la luz se propaga en línea recta en forma de rayos de luz. En todo lo
que sigue, supondremos que los medios materiales tienen estas características. Hay una gran variedad
de fenómenos que pueden explicarse por medio de rayos, como la formación de sombras, imágenes, etc.
La óptica geométrica trata los fenómenos que pueden explicarse usando el concepto de rayos.

5. Las leyes básicas de la óptica geométrica son:
•Ley de la reflexión: Cuando un rayo de luz se refleja en la superficie plana que separa dos medios de distintos índices de
refracción, el rayo incidente, la normal a la superficie y el rayo reflejado están en el mismo plano, como se indica en la
Fig. 1, y se cumple que: Ѳ₁ = Ѳ ₂
•Ley de Snell: Cuando la luz pasa de un medio a otro separado por una superficie plana, el rayo incidente, la normal a la
superficie y el rayo transmitido o refractado están en un mismo plano y se cumple que el ángulo incidente (Ѳ₁ ) y el
refractado (Ѳ ₃ ) están relacionados por: n ₁ sen ( Ѳ₁ ) = n ₃ sen ( Ѳ ₃ )
Donde:
n ₁ es el índice de refracción del medio donde se propaga el rayo incidente y
n ₃ es el índice de refracción correspondiente al medio donde se propaga el rayo transmitido, ver Fig. 1.
Una consecuencia de estas leyes es el fenómeno de la reflexión total, cuando el rayo luminoso pasa de un medio más
refringente (mayor n) a otro menos refringente (menor n, o sea, n ₁ > n ₂ ), en este caso el rayo refractado se aleja de la
normal. El ángulo incidente, Ѳ c para el que Ѳ c =90 ᵒ se denomina ángulo límite o ángulo crítico, si Ѳ₁ > Ѳ c , no hay
transmisión y se produce una reflexión total de la luz. Este fenómeno se utiliza en las fibras ópticas para confinar un haz
de luz en su interior y tiene mucha utilidad para la transmisión de información a través de estas fibras.
NOTA: Cuando utilice un láser, sea cauteloso en su uso. Evite que los rayos o sus reflexiones incidan en su cara o en la de alguna otra
persona. El haz de un láser puede producir daños irreversibles en la retina.

6. Difracción e interferencia de la luz. La luz como fenómeno ondulatorio
En la Física clásica hay dos maneras en que puede transmitirse energía de un punto a otro. Una está
asociada con el transporte de materia, y la otra, con la propagación de ondas.1 Un ejemplo del primer caso
es la energía cinética asociada a una partícula o a un cuerpo que se mueve. En cambio, la energía de un
sonido que llega a nuestros oídos, por ejemplo, lo hace a través de vibraciones que se propagan en el aire,
es decir, a través de ondas acústicas.
La característica distintiva entre estos dos modos de transmisión de la energía, radica en el modo en que se
suman las intensidades asociadas a la energía que propagan. En el caso de las partículas, las intensidades
siempre se suman. Por ejemplo, si sobre un blanco arrojamos N dardos, acumularemos N impactos sobre
éste. Si identificamos la intensidad de impactos sobre el blanco con el número de dardos recibidos, es claro
que la intensidad será mayor cuando más dardos arrojemos. En cambio, cuando se superponen dos o más
ondas no ocurre lo mismo.

7. De acuerdo al principio de superposición, lo que se suman son las amplitudes de las ondas y la onda
resultante tiene una amplitud que es la suma de las amplitudes individuales. Para obtener la intensidad de
la onda resultante (energía que llega por unidad de área y por unidad de tiempo) tenemos que elevar al
cuadrado la amplitud resultante. De este modo, cuando superponemos dos o más ondas es posible que
aparezcan zonas donde la intensidad de las ondas se refuerce y otras donde la intensidad disminuya o se
anule dado que las ondas pueden tener la misma fase o no.
Este fenómeno de interferencia es una propiedad característica de las ondas, y es consecuencia del
principio de superposición. En la teoría clásica la interferencia es usada para diferenciar operacionalmente
las ondas de las partículas. Si estamos ante una situación en la que no sabemos si la naturaleza del
fenómeno es “corpuscular” u “ondulatoria”, realizamos un experimento de superposición: si observamos
interferencia estamos en presencia de ondas; en caso contrario se trata de partículas.

8. P
q
Difracción
P
q
Difracción e
Interferencia
Fue Thomas Young, alrededor de 1800, quien, con su experimento de
interferencia, produjo resultados inexplicables en términos de la “teoría
corpuscular” de la luz, prevalente en la época. A partir de esos
experimentos se dedujo que la luz es un fenómeno ondulatorio.En su
experimento, Young observó la imagen que producía la luz al pasar
primero a través de una rendija y luego a través de otras dos rendijas
muy cercanas entre sí. Utilizó luz filtrada de un arco de mercurio para
asegurarse de que trabajaba con luz lo más monocromática posible.
Figura 2 A la izquierda, difracción por unas ranuras de ancho a. A la derecha el
efecto combinado de difracción e interferencia, generado por dos rendijas de ancho
a, separadas por una distancia d. En todos los casos supondremos que la distancia
de la ranura a la pantalla, es mucho mayor que las otras dimensiones, a o d. El
ángulo q determina la posición del punto P en la pantalla.

9. Como resultado del experimento, observó una serie de áreas iluminadas y oscuras, y observó además que un
cierto punto en la pantalla se iluminaba cuando una de las rendijas era tapada mientras que se convertía en un
punto oscuro cuando ambas rendijas estaban descubiertas. En otras palabras, observó que “luz + luz” a veces
produce “luz” (una zona iluminada) y otras veces “oscuridad” (una zona oscura). Si la luz tuviese una naturaleza
corpuscular, como sostenían las ideas de esa época, no hubiera sido posible explicar este fenómeno, puesto que
las intensidades individuales se sumarían y siempre habría luz.
Una condición fundamental para observar los fenómenos de difracción e interferencia, es que el haz de luz
incidente sobre las rendijas sea coherente, es decir, que la relación de fase entre dos puntos cualesquiera del
frente de onda guarde una relación de fase constante. Esto puede lograse fácilmente usando un láser como
fuente del haz incidente.
El experimento de interferencia por una rendija doble, se conoce como el experimento de Young. En 1801,
Thomas Young comprobó que la luz procedente de una fuente lejana al pasar por una rendija doble, producía un
patrón de interferencia similar al ilustrado en la Fig.2, con lo que demostraba la naturaleza ondulatoria de la luz.
De hecho este tipo de experiencias, - la interferencia y la difracción- son consideradas las signaturas
fundamentales que ponen de manifiesto la naturaleza ondulatoria de una onda o partícula. Este experimento se
realizó con electrones, protones y neutrones, y se produjeron patrones de interferencia similares a los de la luz.

10. Secuencia Didactica 3.- Equipos ópticos.(Distanciómetro)

11. Los distanciómetros láser o medidores láser se crearon para facilitar las mediciones cuando un
flexómetro no podía llegar. Si la distancia era muy larga y no había soporte, este se doblaba o no era lo
suficientemente largo.
Los distanciómetros láser funcionan según el principio del tiempo de vuelo. El medidor emite una señal
de láser a un objetivo y se calcula el tiempo que tarda dicha señal en ir y volver al medidor. Entonces se
calcula la distancia basándose en este dato debido que la velocidad de la luz es constante. Su alcance,
que suele ir desde 20 a 200 metros, varía según el modelo.
Por norma general estos dispositivos se utilizan para la construcción y topografía, aunque también hay
modelos más sencillos y económicos que se usan en actividades de ocio, como caza, golf, tiro con
armas, tiro con arco, etc.
Los usuarios comunes son peritos de seguros, tasadores de inmuebles, contratistas, arquitectos,
agentes inmobiliarios, técnicos de escena, pintores, fontaneros, topógrafos, peritos, instaladores de aire
acondicionado, instaladores de ventanas etc.

13. Bibliografía
•Apuntes de Física IPN – Prof. Eduardo Alfaro Miranda
•Física Conceptual – Paul G. Hewitt