Física de la Llum i les Ones: Conceptes Essencials i Fenòmens Òptics

Què és una Ona?

Una ona és una forma de propagació de l'energia d'un punt a un altre de l'espai, que no va acompanyada de desplaçament de matèria. Per exemple, l'energia pot arribar mitjançant un soroll fort, com el d'una explosió violenta que provoqui el trencament del vidre. En aquest cas, la transmissió d'energia no va acompanyada de desplaçament de matèria.

Les parts més altes de l'ona s'anomenen crestes i les més baixes, valls. La successió de crestes i valls forma l'ona.

En tota ona, cada partícula vibra al voltant de la seva posició inicial, d'un extrem a l'altre. En vibrar, transmet la seva energia a les partícules contigües.

Característiques Principals de les Ones

Les ones es defineixen per dues característiques principals:

• Freqüència: Nombre d'oscil·lacions de la partícula per segon. La seva unitat en el Sistema Internacional és l'hertz (Hz). 1 Hz és la freqüència d'una ona que fa una oscil·lació completa cada segon.
• Longitud d'ona (λ): Distància que hi ha entre dues crestes. Les ones amb poca longitud d'ona són molt energètiques, mentre que les de longitud d'ona més gran tenen menys energia. La unitat en el SI és el metre (m).

La Llum i el So com a Ones

No totes les ones es propaguen de la mateixa manera ni a la mateixa velocitat. Els nostres sentits en poden detectar algunes, com les ones sonores i les lluminoses, i unes altres, no.

Entre les ones sonores i les lluminoses hi ha una diferència fonamental. Les sonores necessiten un medi material per propagar-se. Per contra, les ones lluminoses també ho poden fer en el buit. Per això percebem la llum del Sol i de la resta dels estels, malgrat que han de travessar el buit immens que hi ha entre ells i la Terra.

Les ones de ràdio, les de televisió, les ones del mar i les ones dels terratrèmols són exemples de propagació d'energia per mitjà d'ones.

Els Objectes com a Fonts de Llum

La llum és una forma d'energia que ens permet veure el color i la forma dels objectes quan estan ben il·luminats.

Alguns objectes emeten llum pròpia, mentre que uns altres reflecteixen la llum que reben d'altres cossos.

Fonts Lluminoses

Els cossos que emeten llum s'anomenen fonts lluminoses i poden ser de dos tipus:

• Naturals: com el Sol i els altres estels.
• Artificials: com les bombetes, les espelmes enceses i les llanternes.

Altres cossos només emeten llum quan són il·luminats per fonts lluminoses. Absorbeixen una part de la llum que els arriba i en reflecteixen una altra part en totes les direccions, fet que els converteix en emissors secundaris de llum. Només podem veure'ls quan són il·luminats i reflecteixen part de la llum que els arriba.

Tots els cossos absorbeixen una part de la llum que reben i en reflecteixen una altra part.

La llum que un cos absorbeix o reflecteix depèn de molts factors, com ara la naturalesa de les substàncies que el formen, el tipus de superfície, el color, etc. Per exemple, la superfície blanca de la neu reflecteix una gran proporció de la llum que incideix sobre seu. En canvi, les substàncies negres reflecteixen molt poca llum i absorbeixen la major part de la que els arriba.

Comportament dels Cossos Davant la Llum

Segons la capacitat d'absorció, els cossos poden ser transparents, translúcids o opacs:

• Cossos transparents: Deixen passar la llum i es poden veure els objectes a través seu amb nitidesa, ja que no absorbeixen la major part de la llum que els arriba.
• Cossos translúcids: Deixen passar una part de la llum que reben, però no permeten veure-hi amb total claredat, ja que absorbeixen una part de la llum que els arriba.
• Cossos opacs: Són els objectes que no deixen passar la llum i, per tant, no permeten veure-hi a través seu, ja que absorbeixen tota la llum que reben.

La Llum es Propaga en Línia Recta

La llum es propaga en línia recta i això explica per què es deixa de veure quan un cos opac s'interposa al seu recorregut. Cadascuna de les direccions en què la llum es propaga a partir d'un focus lluminós s'anomena raig lluminós. El conjunt de raigs lluminosos s'anomena feix de llum.

La Velocitat de Propagació de la Llum

La velocitat de la llum depèn del medi en què es propagui. En el buit i en l'aire, la velocitat de la llum és similar i arriba als 300.000 km/s. A causa d'aquesta gran velocitat de propagació, quan encenem un focus lluminós percebem instantàniament la llum que emet.

Les Ombres i els Eclipsis

Quan un objecte opac s'interposa en un raig de llum, darrere seu es crea una silueta fosca amb la seva forma, anomenada ombra.

La forma de l'ombra està determinada per la del cos que la causa. Això és degut al fet que la llum es propaga en línia recta i no pot «encerclar» l'objecte.

La Formació de l'Ombra

En general, si un focus de llum és molt petit o està situat molt lluny de l'objecte, es produeixen ombres nítides.

Ara bé, si el focus és molt gran o està situat a la vora de l'objecte, l'ombra no té contorns nítids i al seu voltant apareixen zones de penombra. A la zona de penombra només hi arriben alguns raigs de llum, de manera que queda il·luminada parcialment.

Els Eclipsis

Un eclipsi té lloc quan un astre s'amaga de manera parcial o total, perquè s'hi interposa un altre que n'impedeix la visió. Perquè tingui lloc un eclipsi, els tres astres s'han de disposar en línia recta.

Els eclipsis poden ser:

• Parcials: Si només s'amaga una part de l'astre.
• Totals: Si queda amagat tot l'astre.

Al nostre planeta es poden observar dos tipus d'eclipsis:

• Eclipsi de Sol: La Lluna s'interposa entre el Sol i la Terra. El nostre satèl·lit projecta la seva ombra sobre la Terra, i des de la zona d'ombra es deixa de veure el Sol.
• Eclipsi de Lluna: La Terra es troba entre el Sol i la Lluna. En aquesta posició podem veure l'ombra del nostre planeta projectada sobre la Lluna.

La Reflexió de la Llum

Quan els raigs de llum arriben a un cos que no poden travessar, en surten desviats, és a dir, es reflecteixen. Tots els objectes i les superfícies reflecteixen una part de la llum que els arriba. Per això els podem veure.

La reflexió de la llum és el canvi de direcció que experimenta un raig lluminós en xocar contra la superfície d'un cos.

S'anomena raig incident el que arriba a la superfície, i raig reflectit el que surt rebotat després de reflectir-se.

Miralls

Un mirall és un cos opac, amb una superfície llisa i polida, capaç de reflectir totalment i regularment la llum que rep.

Tipus de Miralls

Hi ha dos tipus principals de miralls:

• Miralls plans: Són superfícies planes. Produeixen imatges que tenen la mateixa forma i mida que l'objecte real que reflecteixen, i que són simètriques respecte seu.
• Miralls esfèrics: Són superfícies esfèriques. Produeixen imatges distorsionades, de forma i mida diferents a les de l'objecte real que reflecteixen. Hi ha dos tipus de miralls esfèrics:
  • Miralls còncaus: com la part interna d'una cullera o d'una esfera polida. La imatge que hi observem depèn de la distància a què es troba l'objecte del mirall.
  • Miralls convexos: com la part externa d'una cullera o una esfera polida.

La Refracció de la Llum

Quan introduïm un llapis en un got d'aigua, sembla que s'hagi trencat. Això passa perquè part de la llum que reflecteix el llapis experimenta refracció.

La refracció de la llum és el canvi de direcció que experimenta un raig lluminós quan passa d'un medi a un altre en què la velocitat de propagació és diferent.

L'Efecte Òptic de la Refracció

L'aire, l'aigua i el vidre són substàncies transparents, però la velocitat de propagació de la llum és diferent en cadascuna. Així, quan la llum passa de l'aire a l'aigua, perd velocitat i, per tant, canvia de direcció; és a dir, es refracta. Quan passa de l'aigua a l'aire, augmenta de velocitat i es torna a refractar.

Lents

Les lents són cossos transparents, generalment de vidre, que poden formar imatges refractant la llum; és a dir, desviant-la. Són exemples de lents una lupa i unes ulleres.

Les lents poden tenir una superfície corbada i una de plana, o totes dues corbades. Aquestes curvatures poden ser còncaves o convexes.

Quan la llum travessa una lent, experimenta dos tipus de refraccions: una quan passa de l'aire al vidre i una altra quan surt del vidre i torna a l'aire.

Cada tipus de lent provoca una refracció diferent. Hi ha lents que concentren els raigs de llum i unes altres que els dispersen. Segons això, podem classificar-les en dos tipus:

• Lents convergents: Tenen més gruix al centre que als extrems. Fan que els raigs de llum es concentrin en un punt, que s'anomena focus. Un exemple de lent convergent són les lupes. La imatge que es forma d'un objecte a través d'aquest tipus de lents depèn de la distància a què es trobi l'objecte.
• Lents divergents: Són més gruixudes als extrems que al centre. Fan que els raigs de llum se separin.