Óptica y Luz: Espejos, Lentes, Visión, Naturaleza y Propiedades de la Luz

Focos de espejos y lentes

Foco de los espejos: En los espejos cóncavos, el foco es el punto del espacio donde convergen los rayos luminosos que viajan paralelos al eje óptico. En los espejos convexos, los rayos luminosos no se juntan en ningún punto; para localizar el foco hay que prolongar los rayos reflejados hasta el punto donde se cortan las prolongaciones, situado detrás del espejo. En ambos casos, la distancia focal es la distancia que hay desde el foco al espejo, y su valor es la mitad del radio de curvatura del espejo. En los espejos cóncavos esta distancia es positiva y en los convexos es negativa.

Foco objeto y foco imagen

El foco objeto de una lente convergente es el punto donde se focalizarían los rayos que viajan paralelos al eje óptico del sistema cuando viajan desde el lado opuesto al que se sitúa el objeto; está en el mismo lado que el objeto. El foco imagen es el punto donde se focalizarían los rayos que viajan paralelos al eje óptico del sistema cuando viajan desde el lado en que se encuentra el objeto. En una lente divergente el foco es lo mismo, pero se define con las prolongaciones de los rayos, ya que éstos divergen.

Reflexión total y ángulo límite

Cuando la luz pasa de un medio a otro, una parte de ella se refleja y otra se refracta. La dirección de propagación de la luz refractada (q₂) se puede calcular con la ley de Snell: n₁ sen q_i = n₂ sen q_t.

Cuando la luz incidente desde un medio pasa a otro de índice de refracción inferior, es posible que no se pueda refractar la luz; por tanto, toda la luz se refleja. A este fenómeno se le conoce como reflexión total, y el ángulo a partir del cual se produce la reflexión total es el ángulo límite.

Espejos

Espejo cóncavo

En los espejos cóncavos pueden darse tanto imágenes virtuales como reales. Según sea la posición del objeto pueden darse varias situaciones:

1. Si el objeto está lejano, la imagen es real, invertida y menor que el objeto.
2. Si el objeto está entre el centro y el foco, la imagen es real, invertida y de mayor tamaño.
3. Si el objeto está entre el foco y el espejo, las prolongaciones de los rayos reflejados forman la imagen virtual, derecha y de mayor tamaño.

Espejo convexo

Imagen virtual, derecha y menor.

Espejo plano

La reflexión de un objeto en un espejo plano da lugar a una imagen que está situada al otro lado del espejo y que, por tanto, no puede ser observada directamente ni recogida en una pantalla; se dice que la imagen es virtual.

Lentes

Lentes convergentes

Focal imagen positiva. Tipos: biconvexa (r1 > 0, r2 < 0); plano-convexa (r1 > 0, r2 = inf); menisco convergente (r1 > 0, r2 > 0 y r1 > r2).

Lentes divergentes

Tipos: bicóncava (r1 < 0, r2 > 0); plano-cóncava (r1 = inf, r2 > 0); menisco divergente (r1 > 0, r2 > 0 y r1 > r2).

Óptica de la visión

El ojo es el órgano de la visión, con un diámetro de 2,5 cm. Está formado por una serie de medios transparentes a la luz:

• Humor acuoso: limitado por la córnea, es el primer medio que atraviesa la luz. Disolución salina con n = 1,34.
• Cristalino: forma una lente biconvexa con n = 1,44.
• Humor vítreo: líquido que llena el globo ocular, con n = 1,34.

Globo ocular

• Esclerótica: es la membrana más externa, dura y protectora, blanca y opaca salvo la córnea.
• Coroides: segunda capa, oscura, que forma el iris, el cual controla el paso de la luz mediante la pupila.
• Retina: es la capa más interna. Contiene células nerviosas sensibles a la luz: los conos (hay 3 tipos, cada uno sensible al rojo, azul o verde), que permiten la visión del color y necesitan mucha luz, y los bastones, que reciben la imagen y la envían al cerebro.

Acomodación del ojo

Gracias al cristalino, al enfocar un objeto cercano los músculos ciliares se comprimen, aumentando el radio de curvatura y disminuyendo la distancia focal, lo que permite que la imagen se forme en la retina. El punto más próximo que el ojo puede enfocar es el punto próximo o punto cercano, situado a unos 25 cm. El punto más alejado es el punto remoto.

Defectos de la visión

• Presbicia: visión cansada con la edad. Se debe a la reducción de la acomodación por cansancio muscular y afecta solo al punto cercano. Se usan lentes convergentes, y a veces gafas bifocales que permiten dos focos: uno para cerca y otro para lejos.
• Miopía: se pierde acomodación por exceso de convergencia. Los rayos se juntan entre el cristalino y la retina, por lo que llega borrosa a la retina. El punto próximo está más cerca de lo normal y el punto remoto también. Se corrige con lentes divergentes que alejan el foco del cristalino.
• Hipermetropía: defecto de convergencia; los rayos se enfocan detrás de la retina, llegando borrosos. El cristalino tiene menos curvatura, por lo que el punto próximo se aleja.
• Astigmatismo: irregularidad en la curvatura de la córnea. Se corrige con lentes cilíndricas.

Naturaleza de la luz

La luz estaba formada por un chorro de partículas emitidas por una fuente luminosa. Los cuerpos se veían porque algunos de los corpúsculos que los golpeaban se reflejaban.

Modelo corpuscular de Newton

La fuente luminosa emitía partículas de distintos tamaños que tenían distinta disposición. Las disposiciones eran de carácter periódico; sus intervalos eran grandes para los rayos rojos y pequeños para los violetas. Las partículas tenían un tratamiento mecánico. Investigando, Newton conoció la refracción, la composición de la luz blanca, la difracción y las interferencias. En su teoría introdujo la idea de fuerzas de atracción entre la materia y las partículas luminosas.

Interferencia de la luz

Se produce cuando coinciden dos o más movimientos ondulatorios en un punto. Thomas Young proyectó luz monocromática sobre dos rendijas equidistantes del foco y separadas; tras eso colocó una pantalla donde recogía la luz. Se demostró que luz más luz puede dar oscuridad. Las franjas iluminadas están en fase y las oscuras en oposición.

Difracción de la luz

Es el cambio de dirección de una onda sin cambiar de medio cuando se encuentra un obstáculo en su camino. Puede explicarse con el fenómeno de Huygens.

Modelo ondulatorio de Huygens

Huygens publicó su teoría sobre la propagación de la luz: la luz es un movimiento ondulatorio que se propagaba en el vacío, llamado éter. No era un movimiento corpuscular, pues dos haces de luz pueden cruzarse sin que se estorben. Thomas Young demostró con un experimento la naturaleza de la luz, y Fresnel demostró que las ondas eran transversales.

Naturaleza dual de la luz

El efecto fotoeléctrico consiste en la obtención de electrones libres de un metal cuando actúa sobre él un haz de luz. Por debajo de una cierta frecuencia no se emitía energía; se deduce que la luz interacciona con los electrones en cantidades llamadas cuantos, que actúan en bloque, y que después se llamaron fotones.

Refracción y reflexión

Refracción: consiste en el cambio de dirección de propagación al pasar la onda de un medio a otro, y cambia la velocidad. Parece que los objetos están en distinta posición. La ley aplicable es la de Snell.

Reflexión: el rayo de incidencia sigue en el mismo medio. Se pueden ver objetos no luminosos ya que reflejan parte de la luz que reciben. Debido a la irregularidad de la superficie se produce la reflexión difusa, y los rayos se propagan en todas las direcciones. La reflexión especular se produce cuando la superficie es lisa.

Dispersión de la luz

Cuando se pasa un rayo solar por un prisma triangular de vidrio, se descompone en un conjunto de colores llamado espectro. La luz es una composición de ondas de distinta frecuencia, y el efecto que producen en la retina forma la sensación de color. Existen dos tipos de luz: policromática (varios colores) y monocromática. La dispersión de la luz es la separación de un rayo de luz en sus componentes, porque cada uno tiene un índice de refracción distinto, lo que supone velocidad y longitud de onda distintas.

Polarización

Solo se da en los movimientos de vibración transversal, consistentes en la vibración del campo eléctrico y magnético en una dirección preferente sobre las demás. Se produce cuando se consigue que la vibración de las ondas sea en una dirección determinada. Tipos de polarización:

• Lineal: el vector eléctrico vibra en la misma dirección.
• Circular: se puede obtener a partir de dos lineales; el vector describe una circunferencia.
• Elíptica: ondas de distinta amplitud.