Resumen de la óptica en física universitaria

1. Unidad III; Óptica
Física General, M.C. Yair Rodríguez Guerra

2. ¿Cuál es la naturaleza
de la luz?
¿Cómo se comporta la
luz en distintas
circunstancias?
Sir Isaac Newton experimentando con la luz.

3. ¿Qué es la óptica?
Del griego “ὀπτικός”cuyo
significado es “lo relativo a la
vista”.
Es la rama de la física que estudia
las propiedades y la naturaleza
de la luz y sus interacciones con
la materia.
Pitágoras (500 a.e.c.)
Propuso que la vista es causada por
rayos visuales que emanan del ojo y
golpean objetos
Epicuro (300 a.e.c.)
Creía que la luz era emitida por una
fuente diferente al ojo y la luz es
producida cuando se refleja en los
objetos y entra al ojo.
Euclides (300 a.e.c.)
En su tratado llamado Óptica,
presentó una ley de reflexión y la
propagación de los rayos luminosos
en línea recta.

4. ¿Qué es la luz?
Viene del latín lux, “luz, luminosidad”.
Onda electromagnética en forma de energía radiante la cual es
visible al ojo humano.
¿Qué es una onda
electromagnética?
¿Que es la radiación?
¿Existe la luz invisible?

5. ¿Qué es la luz?
Una onda electromagnética está formada por paquetes muy
pequeños de energía llamados fotones. La energía de cada paquete
o fotón es directamente proporcional a la frecuencia de la onda.
La radiación es energía que se desplaza de una forma que se
puede describir como ondas o un conjunto de partículas.

6. ¿Qué es la luz? Frecuencia: Número de
repeticiones por unidad de
tiempo en un evento
periódico.

7. ¿Qué es la luz?
Los experimentos realizados a principios
del siglo XX demostraron que la luz tiene
propiedades corpusculares.
La idea de que la luz puede presentar
características tanto de onda como de
partícula se denomina dualidad onda-
partícula.

8. ¿Qué es la luz?
Hoy en día, la velocidad de la luz se conoce con gran precisión. De
hecho, la velocidad de la luz en el vacío c es tan importante que se
acepta como una de las magnitudes físicas básicas.

9. ¿Qué es la luz?
Calcular el tiempo (en minutos) que tarda en llegar la luz del Sol a la Tierra,
si esta viaja con una velocidad constante de 300 000 km/s a través del vacío
del espacio.
c = 300 000 km/s
d = 150 000 000 km

10. La velocidad de la luz: Primeras mediciones
Ole Roemer (1675)
Realizó la primera medición de la velocidad de la luz.
Estudió la órbita de Io, una de las cuatro grandes lunas de Júpiter, y
descubrió que tenía un periodo de revolución de 42,5 h alrededor de
Júpiter. También descubrió que este valor fluctúa unos segundos,
Aunque su intento fue fallido,
Galileo Galilei (1564-1642) fue el
primero en intentar medir la
velocidad de la luz.

11. La velocidad de la luz: Primeras mediciones
Ole Roemer (1675)
Las mediciones del periodo de Io realizadas con las configuraciones de las partes (a) y (b) difieren porque la
longitud del recorrido de la luz y el tiempo de viaje asociado aumentan de A a B (a) pero disminuyen de 𝐴′a 𝐵′ (b).
La luna Io da una vuelta a Júpiter en 42,5 horas

12. La velocidad de la luz: Primeras mediciones
Armand Fizeau (1849)
Realizó la primera medición terrestre con éxito de la velocidad de la
luz.
Se colocó una fuente de luz intensa detrás de una rueda dentada, de
modo que cuando girara, cortase un haz de luz en una sucesión de
pulsos.

13. La velocidad de la luz: Primeras mediciones
Armand Fizeau (1849)
Los dientes de la rueda bloquean la luz reflejada al regresar cuando la rueda gira a una velocidad que coincide
con el tiempo de viaje de la luz hacia y desde el espejo.

14. La velocidad de la luz: Primeras mediciones
Suponga que la rueda tiene 360 dientes y da vuelta a 27.5 rev/s
cuando un pulso de luz que pasa a través de la apertura, es
bloqueado por un diente a su regreso. Si la distancia entre el espejo
y la rueda es de 7500 m ¿Cuál es la rapidéz de la luz?
Los dientes de la rueda bloquean la luz reflejada al regresar cuando la rueda gira a una velocidad que coincide
con el tiempo de viaje de la luz hacia y desde el espejo.

15. La velocidad de la luz: Primeras mediciones
C = 2,0 x 10 8 m/s.
Roemer
33 % error
C = 3,15 x 10 8 m/s.
Fizeau
5 % error
C = 2,98 x 10 8 m/s.
Foucault
0,6% error

16. Velocidad de la luz en la materia
Podemos definir una constante de un material que describe la
velocidad de la luz en él, llamada índice de refracción n, donde v es la
velocidad de la luz observada en el material.
El índice de refracción es siempre mayor o igual a uno; es decir, 𝑛≥1

17. Velocidad de la luz en la materia

18. Velocidad de la luz en la materia
Calcule la velocidad de la luz en el circón, un material utilizado en
joyería para imitar el diamante.
n = c/v
r = 1.56 x 10 8 m/s

19. El modelo del rayo de luz
Podemos modelar la trayectoria de la luz como una línea recta llamada rayo.

20. Óptica geométrica:
ley de reflexión
ley de refracción

21. Ley de reflexión
Cada vez que nos miramos en un espejo o la luz del sol en un lago,
estamos viendo un reflejo. Los grandes telescopios utilizan la
reflexión para formar una imagen de las estrellas y otros objetos
astronómicos.
La ley de reflexión establece que el ángulo de reflexión es igual al
ángulo de incidencia.

22. Ley de reflexión
El ángulo de reflexión es
igual al ángulo de incidencia.
𝜃r=𝜃i.
Los ángulos se miden con
respecto a la perpendicular
a la superficie en el punto en
el que el rayo incide.

23. Ley de reflexión
La luz se difumina cuando se refleja en una superficie rugosa. Aquí inciden muchos rayos
paralelos, pero se reflejan en muchos ángulos diferentes, porque la superficie es rugosa.

24. Ley de reflexión

25. Ley de reflexión
Los dos rayos son los que inciden en el espejo con el ángulo correcto para reflejarse en
los ojos de la persona. La imagen parece estar detrás del espejo a la misma distancia.

26. Ley de reflexión, retroreflectores
Un rayo de luz que incide en dos superficies reflectantes mutuamente perpendiculares se
refleja exactamente en paralelo a la dirección de la que procede.

27. Ley de refracción
La magnitud en que un rayo de luz cambia su dirección depende del
ángulo de incidencia y del cambio de la velocidad con la que
atraviesa el medio (n).
La relación matemática exacta, la ley de refracción o de Snell. Lleva
ese nombre por Willebrord Snell (1591-1626).

28. Ley de refracción
La magnitud en que un rayo de luz cambia su dirección depende del
ángulo de incidencia y del cambio de la velocidad con la que
atraviesa el medio (n).
La relación matemática exacta, la ley de refracción o de Snell. Lleva
ese nombre por Willebrord Snell (1591-1626), el matemático
holandés que la descubrió en 1621.

29. Ley de refracción
El cambio de dirección de un rayo de luz depende de cómo cambia el índice de
refracción cuando pasa de un medio a otro.

30. Ley de refracción
La ley de refracción se expresa en forma de ecuación como.
Aquí 𝑛1 y 𝑛2 son los índices de refracción de los medios 1 y 2, y 𝜃1
y 𝜃2 son los ángulos entre los rayos. El rayo entrante se llama rayo
incidente, el rayo saliente se llama rayo refractado.

31. Ley de refracción
Calcule el índice de refracción del medio 2, suponiendo que el medio
1 es aire y dado que el ángulo de incidencia es 30,0° y el ángulo de
refracción es 22,0°.
r = 1,33.

32. Ley de refracción
Supongamos que la luz pasa del aire a un diamante y que el ángulo
de incidencia es 30,0°. Calcule el ángulo de refracción 𝜃2 en el
diamante. n2=2,419.
r = 11,9°

33. Refracción interna total
Un espejo de buena calidad puede reflejar más de 90% de la luz que
incide sobre él, absorbiendo el resto.
Si n1>n2 el rayo se desvía de la perpendicular. El ángulo crítico 𝜃c
para una combinación de materiales se define como el ángulo de
incidencia 𝜃1 que produce un ángulo de refracción de 90°.
Si el ángulo 𝜃1 es mayor que el ángulo crítico, entonces toda la luz se
refleja de nuevo en el medio 1.

34. Refracción interna total

35. Refracción interna total
El ángulo crítico para una determinada combinación de materiales 𝜃
c es el siguiente.

36. Refracción interna total
¿Cuál es el ángulo crítico para la luz que viaja en un tubo de
poliestireno (un tipo de plástico) rodeado de aire? El índice de
refracción del poliestireno es de 1,49.
r = 42,2°

37. Refracción interna total; fibra óptica
La fibra óptica es una de las aplicaciones de la reflexión interna total
más utilizadas. En el ámbito de las comunicaciones, se utiliza para
transmitir señales de teléfono, internet y televisión por cable.

38. Refracción interna total; fibra óptica
Se pueden utilizar grupos unidos de fibras para transmitir una
imagen sin necesidad de una lente.

39. Refracción interna total; fibra óptica
Las fibras de los grupos unidos
están revestidas por un material
que tiene un índice de refracción
inferior al del núcleo para
garantizar una reflexión interna
total, incluso cuando las fibras
están en contacto entre sí.

40. Refracción interna total; fibra óptica
En un diamante la mayoría de los
reflejos son totales, y las facetas
están colocadas de forma que la
luz solo pueda salir por
determinadas vías, concentrando
así la luz y haciendo que el
diamante brille con fuerza.

41. Dispersión
Causas y efectos
Los colores del arcoíris (a) y los producidos por un
prisma (b) son idénticos

42. Dispersión
Vemos unos seis colores en el arcoíris: rojo, naranja, amarillo, verde,
azul y violeta; a veces también aparece el índigo. Estos colores están
asociados a diferentes longitudes de onda de la luz.
La luz blanca, en particular, es una mezcla bastante uniforme de
todas las longitudes de onda visibles. La luz solar es luz blanca.

43. Dispersión
Se define como la propagación de la luz blanca en todo su espectro
de longitudes de onda. Más técnicamente, la dispersión se produce
siempre que la propagación de la luz depende de la longitud de onda.
La propagación de la luz: Forma en
que una onda transfiere su energía
de un punto a otro.

44. Dispersión
La refracción es responsable de la dispersión en el arcoíris y en
muchas otras situaciones. El ángulo de refracción depende del
índice de refracción, como sabemos por la ley de Snell.
Observe que para un medio determinado, n aumenta a medida que
disminuye la longitud de onda y es mayor para la luz violeta.

45. Dispersión
Dado que el índice de refracción varía con λ, los ángulos de refracción varían con λ. Se
produce una secuencia del rojo al violeta.
n es inversamente proporcional a λ

46. Dispersión de la luz blanca a través de un vidrio flint
Un haz de luz blanca pasa del aire
al vidrio flint con un ángulo de
incidencia de 43,2° ¿Cuál es el
ángulo entre las partes roja (660
nm) y violeta (410 nm) de la luz
refractada?
r=0,6°

48. Dispersión

49. Dispersión
La dispersión puede producir hermosos arcoíris, pero puede causar
problemas en los sistemas ópticos.
La luz blanca que se utiliza para transmitir mensajes en una fibra se
dispersa, extendiéndose en el tiempo y acabando por superponerse
con otros mensajes.
En cambio, la dispersión de las ondas electromagnéticas que nos
llegan del espacio exterior puede utilizarse para determinar la
cantidad de materia que atraviesan.

50. Principio de Huygens
Algunos fenómenos requieren análisis y explicaciones basadas en
las características ondulatorias de la luz.
óptica de onda.

51. Principio de Huygens
El científico holandés Christiaan Huygens (1629-1695) desarrolló
una técnica útil para determinar con detalle cómo y dónde se
propagan las ondas.
El principio establece que cada punto de un frente de onda es una
fuente de ondículas que se propagan hacia adelante con la misma
velocidad que la propia onda. El nuevo frente de onda es tangente a
todas las ondículas.

52. Principio de Huygens
El científico holandés Christiaan Huygens (1629-1695) desarrolló
una técnica útil para determinar con detalle cómo y dónde se
propagan las ondas.
El principio establece que cada punto de un frente de onda es una
fuente de ondículas que se propagan hacia adelante con la misma
velocidad que la propia onda. El nuevo frente de onda es tangente a
todas las ondículas.

53. Principio de Huygens
Cada punto del frente de onda emite una onda semicircular que se desplaza
una distancia El nuevo frente de onda es una línea tangente a las ondículas.

54. Principio de Huygens en reflexión
La Figura muestra cómo un espejo refleja una onda entrante en un ángulo
igual al ángulo incidente

55. Principio de Huygens en refracción
frente de onda plano que viaja de un medio a otro, donde su velocidad es
menor. El rayo se dobla hacia la perpendicular, dado que las ondículas
tienen una velocidad menor en el segundo medio.

56. Principio de Huygens en la ley de la refracción

57. Principio de Huygens en la ley de la refracción

58. Polarización

59. Polarización

60. Polarización; Ley de Malus
Las ondas EM son ondas transversales que consisten en campos
eléctricos y magnéticos variables que oscilan perpendicularmente a
la dirección de propagación.
No hay direcciones específicas para las oscilaciones de los campos
eléctricos y magnéticos; vibran en cualquier plano orientado al azar
perpendicular a la dirección de propagación.

61. Polarización; Ley de Malus
La polarización es el atributo por el cual las oscilaciones de una
onda tienen una dirección definida con respecto a la dirección de
propagación de la onda.
Se dice que las ondas que tienen esa dirección están polarizadas.
Para una onda EM, definimos la dirección de polarización como la
dirección paralela al campo eléctrico.

62. Polarización; Ley de Malus
La polarización es el atributo por el cual las oscilaciones de una
onda tienen una dirección definida con respecto a la dirección de
propagación de la onda.
Se dice que las ondas que tienen esa dirección están polarizadas.
Para una onda EM, definimos la dirección de polarización como la
dirección paralela al campo eléctrico.
La dirección de polarización de la onda es
la dirección del campo eléctrico.

63. Polarización; Ley de Malus La dirección de polarización de la onda es
la dirección del campo eléctrico.
(a) Si la luz no está polarizada, las flechas apuntan en todas las direcciones. (b) Un filtro polarizador
tiene un eje de polarización que actúa como una rendija que atraviesa campos eléctricos paralelos a
su dirección

64. Polarización; Ley de Malus

65. Polarización; Ley de Malus

66. Imágenes formadas por Espejos planos
Dos rayos salen del punto
P, golpean el espejo y se
reflejan en el ojo del
observador. Si los rayos
reflejados se extienden
hacia atrás, por detrás del
espejo, parece que se
originan en el punto Q. Allí
se encuentra la imagen del
punto P.

67. Imágenes formadas por Espejos planos
Dos rayos salen del punto
P, golpean el espejo y se
reflejan en el ojo del
observador. Si los rayos
reflejados se extienden
hacia atrás, por detrás del
espejo, parece que se
originan en el punto Q. Allí
se encuentra la imagen del
punto P.

68. Imágenes formadas por Espejos no planos

69. lentes delgados

70. lentes delgados

71. Tarea en su cuadernos escrito a mano
Física Universitaria Vol. III
Capítulo 2.8.
El telescopio
Estudio y aplicaciones de emisión
láser