El significado del estudio de la óptica para el desarrollo científico y tecnológico

Introducción:

La naturaleza de la luz ha sido un enigma para la humanidad, desde la más remota antigüedad. Los griegos (530 a.C.), al igual que Aristóteles (730 a.C.), creían que la visión era causada por partículas que emitían los cuerpos luminosos, que llegaban después al ojo. Sin embargo, los filósofos Platón, Euclides y Claudio Tolomeo, creían que era justo lo contrario, que las partículas salían del ojo para llegar después a los objetos observados. Ahora se sabe que la luz es radiación electromagnética que se propaga en forma de ondas y cuando penetra a nuestros ojos produce una sensación visual. La óptica la ciencia que se refiere al estudio de la luz, de la manera en que es emitida por los cuerpos luminosos, de la forma en que los cuerpos la absorben y de cómo se propaga a través de medios transparentes.

Existen varios fenómenos luminosos que se conocen gracias al estudio de la luz como por ejemplo: la reflexión, la refracción, la interferencia y la difracción. La óptica a través de la historia ha sido de gran importancia puesto que ha permitido el desarrollo de microscopio, telescopios, espectroscopios, etc.

El estudio de la óptica ha sido muy importante para el desarrollo científico y tecnológico ya que puesto que ha permitido el desarrollo de teorías como la cuántica y la de la relatividad, así como de tecnologías como comunicaciones por fibras ópticas, las aplicaciones de los láseres y la holografía.

Objetivos:

Comprobar la ley de Snell.

Encontrar el punto focal de un espejo cóncavo.

Encontrar El índice de refracción de un material.

Visualizar la refracción total.

Marco Teórico:

¿Qué es la reflexión?

La reflexión de una onda (puede ser luz) es el rebote que experimenta cuando llega a un obstáculo grande. Aunque el obstáculo absorba parte de la energía se produce también reflexión en la que se transmite de vuelta parte de la energía a las partículas del medio incidente. La luz reflejada sigue propagándose por el mismo medio que la incidente, la reflexión de la luz hace posible que veamos los objetos que no tienen luz propia. El rayo incidente es el que llega a una superficie, y el rayo que rebota después de reflejarse es el reflejado. El ángulo de incidencia es aquel ángulo que se forma con la recta normal a la superficie y el rayo reflejado, mientras que el ángulo de reflexión es el que se forma entre el rayo de reflexión y la recta normal a la superficie donde se refleja el rayo.

Existen dos tipos de reflexiones: la especular, que sucede cuando la superficie donde la luz es reflejada es lisa y los rayos que se reflejan salen en igual dirección, y la difusa, que se da cuando la superficie donde la luz es reflejada es rugosa, lo que ocasiona que los rayos se reflejan en todas direcciones, este tipo de reflexión no consigue generar imágenes, pero permite ver los cuerpos opacos desde cualquier ángulo.

Cuando un rayo choca con una superficie pulida, lisa y plana y luego rebota hacia el mismo medio se cumplen las leyes de la reflexión, que dicen:

1: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

2: El rayo incidente, el rayo reflejado y la recta normal se encuentran en un mismo plano.

Figura 1. Leyes de reflexión.

2. ¿Qué es el punto focal de un espejo cóncavo o convexo?

Los espejos esféricos son superficies esféricas pulimentadas. Si la parte reflectante es la interior del casquete esférico recibe el adjetivo cóncavo y si es la externa convexo.

El punto en el cual convergen los rayos paralelos después de ser reflejados se conoce como punto focal (f ).

Para obtener el foco y la distancia focal en una espejo esférico analizamos que una reflexión se puede estudiar como si fuera una refracción en la que el índice del segundo medio (n') fuera igual y de signo opuesto al del primer medio (n). Por lo tanto en las expresiones que relacionan las focales de una superficie esférica con el radio y los índices, hacemos n' = - n:

Por lo tanto deducimos que: la focal de un espejo no depende del medio (n) en el que está sumergido el espejo, en los espejos esféricos ambos focos coinciden: F / F', los espejos cóncavos, por tener radio negativo, tienen también focal negativa y en los espejos convexos la focal es positiva.

Figura 2. Punto focal en un espejo convexo.

Figura 3. Punto focal en un espejo cóncavo.

3. ¿Qué es la refracción?

Es el fenómeno que se produce cuando un rayo luminoso experimenta un cambio en su dirección al atravesar una superficie que separa dos medios transparentes de diferente densidad, el cambio de dirección de la luz es debido a la distinta velocidad de propagación que tiene la luz en los diferentes medios materiales. En la refracción el rayo incidente es el que atraviesa de un medio transparente a otro, el rayo refractado es el rayo de luz que se desvía al ingresar al segundo medio transparente, el ángulo de incidencia es aquel que el rayo incidente, al ingresar al segundo medio, forma con la perpendicular al mismo, y el ángulo de refracción es aquel que el rayo incidente forma con el rayo refractado al desviarse.

Leyes de la refracción de la luz:

1: El rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en un mismo plano.

2: Cuando un rayo luminoso pasa de un medio a otro, el cociente entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es constante:

(sen i)/(sen r)=n

4. Deduzca y explique la ley de Snell

Primero se hallara el frente de onda de una onda transmitida a partir del principio de Huygens:

El principio de Huygens se basa en el hecho de que cada punto de un frente de onda primario sirve como foco de ondas elementales secundarias que avanzan con una velocidad y frecuencia igual a las de la onda primaria. El frente de ondas primario al cabo de cierto tiempo, es la envolvente de estas ondas elementales.

Figura 4. Construcción geométrica para la Ley de Snell utilizando el Principio de Huygens.

En la Figura 4 se ve una onda plana incidente sobre una superficie de separación de dos medios dieléctricos. El segmento AP indica una porción del frente de onda en el medio

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