Óptica geométrica y los fenómenos de la luz

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GUIA DE LABORATORIO No. 6:

 ÓPTICA GEOMÉTRICA (ESPEJOS)[pic 4]

1.-DATOS INFORMATIVOS:

1.1.-Nivel o curso:  4to semestre  

1.2.-Semestre:         Abril 2021 - Agosto 2021

1.3.-Contenido:     Óptica geométrica y los fenómenos de la luz

a-.) Reflexión y refracción de la luz

b-.) Dispersión de la luz

c-.) Formación de imágenes

2.-OBJETIVO DE APRENDIZAJE:

Estudiar la óptica geométrica mediante la demostración experimental de los fenómenos ocurridos en la luz mediante el uso de espejos.

3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS BÁSICOS:

Mediante la óptica geométrica se puede realizar el estudio de las imágenes, producidas por refracción o por reflexión de la luz. La óptica geométrica se ocupa de las trayectorias de los rayos luminosos, despreciando los efectos de la luz como el movimiento ondulatorio y las interferencias.

Reflexión de la luz

La luz es una entidad fundamental. En un nivel observable, esta manifiesta dos comportamientos en apariencia contradictorios, representados a través de los modelos ondulatorios y de partículas. Normalmente, la cantidad de energía presente es tan grande que la luz se comporta como si fuera una onda ideal contínua, una onda de campos eléctrico y magnético interdependientes. La interacción de la luz con los instrumentos ópticos (espejos, lentes, prismas, rejillas, lupa, microscopio, etc.) se puede comprender de manera satisfactoria mediante el modelo ondulatorio.

Ley de la reflexión:

Un rayo es una línea recta trazada perpendicularmente a los frentes de onda de una onda luminosa. Éste muestra la dirección de propagación de la energía electromagnética. En la reflexión especular (ver figura 1) el ángulo de incidencia () es igual al ángulo de reflexión (). De igual manera, se tiene que el rayo incidente, el rayo reflejado y el normal a la superficie se localizan en el mismo plano (plano de incidencia).[pic 5][pic 6]

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Figura 1: reflexión especular.

Espejos esféricos (ver figura 2)

En este tipo de espejos el foco principal es el punto donde convergen los rayos paralelos y cercanos al eje central u óptico de este. Este foco es real para espejos cóncavos, y virtual para convexos. Dicho foco se localiza sobre el eje óptico y a una distancia intermedia entre el centro de curvatura (C) y el espejo. La formación de imágenes en espejos cóncavos o convexos dependerá de la ubicación del objeto respecto a la superficie reflectante, para la determinación de la información relacionada con la imagen generada se emplea la ecuación de los espejos y la intersección de los rayos paralelos, radial y focal.

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Figura 2: Espejo cóncavo y espejo convexo.

Ecuación de los espejos:

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Donde: S0=Distancia al objeto medida desde el espejo

             Si=Distancia a la imagen medida desde el espejo

             R=Radio de curvatura del espejo

             f=Distancia focal del espejo

NOTA: S0, Si, serán positivas o negativas dependiendo de su posición respecto al espejo, mientras R y f son positivos o negativos dependiendo del tipo de espejo.

Para lentes delgadas se puede utilizar la siguiente ecuación:

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Amplificación lineal (A)

Se refiere al tamaño de la imagen obtenida.

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Donde el signo de A es negativo si la imagen se invierte y positivo si permanece derecha.

Refracción de la luz

Ocurre cuando un rayo de luz pasa oblicuamente a través de la frontera entre dos materiales con índice de refracción diferentes, de manera que el rayo se desvía (ver figura 3). Para determinar la relación existente en esta desviación se emplea la Ley de Snell.

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Figura 3: Refracción de la luz

Índice de refracción (n)

Este cociente establece la relación existente entre la velocidad de la luz en el vacío y el medio en el cual entra la luz.

También, se sabe que la velocidad de la luz en el vacío es la misma para todas las longitudes de onda, pero cuando se propaga en un medio material es diferente para cada longitud de onda. Asimismo, se tiene que la frecuencia de una onda luminosa está determinada por la fuente y no varía al propagarse. Si la frecuencia variase al pasar la luz de un medio a otro medio, se acumularía energía en la superficie de separación de los mismos, lo que no se observa que ocurra. Por lo tanto, la velocidad de propagación de la luz en un medio es menor que en el vacío, mientras que su frecuencia no varía. Por lo tanto, la longitud de onda debe variar al cambiar de medio.

Si se tienen 2 medios donde v1 y v2 son diferentes:

Dispersión de la luz

Mediante el fenómeno de dispersión se puede descomponer la luz blanca en luces de distintos colores (ver figura 4). Esto se debe a que la luz está conformada por un conjunto de radiaciones, cada una de ellas con una longitud de ondas diferente, es por ello que su velocidad de propagación es disímil en cada medio transparente, por lo tanto, el índice de refracción difiere para cada color. Dicho fenómeno se observa cuando la luz blanca atraviesa un prisma óptico, el ángulo de desviación de cada radiación será diferente, siendo el mayor el de la luz violeta y el menor el de la luz roja y los otros colores tienen ángulos de desviación que se ubican entre estos dos. Para poder observar este fenómeno se usa el prisma porque este permite descomponer la luz blanca en sus componentes espectrales.

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