¿Qué es la luz?
La Luz es una forma de energía que emiten algunos objetos. A estos objetos los llamamos fuentes luminosas.
Hay dos tipos de fuentes de luz:
- Naturales: como el Sol.
- Artificiales: como las bombillas. La mayor parte de las fuentes de luz artificiales funcionan con energía eléctrica.
La mayor parte de los objetos no son fuentes de luz, pero podemos verlos porque reflejan la luz que les llega desde las fuentes de luz.
La Luz que sale de las fuentes luminosas se propaga en línea recta y en todas direcciones. Cada una de las líneas rectas en las que viaja la luz se llama rayo de luz.
La velocidad con que se propaga la luz depende del medio que atraviesa; no es igual en el aire que en el agua. La luz recorre alrededor de 300 000 kilómetros en un segundo.
Reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimenta la luz cuando choca con un objeto y "rebota"
La reflexión de la luz hace posible que veamos objetos que no emiten luz propia.
Elementos de la reflexión
En la reflexión podemos señalar los siguientes elementos:
- Rayo incidente: Es el rayo de luz que incide en la superficie
- Rayo reflejado: Es el rayo que sale de la superficie
- Normal: es la línea imaginaria perpendicular a la superficie
- Ángulo de incidencia (i) :es el ángulo que forman el rayo incidente y la normal
- Ángulo de reflexión (r): es el ángulo que forman la normal y el rayo reflejado.
- Primera ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal están en el mismo plano.
- Segunda ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
Según las superficies en que incidan los rayos luminosos, la reflexión puede ser especular o difusa.
- Reflexión especular: Cuando las superficies son pulidas, los rayos luminosos se reflejan en una sola dirección y de forma ordenada. Por ello se forman imágenes que parecen copias de los objetos.
- Reflexión difusa: Se produce cuando las superficies son irregulares. En este caso, los rayos luminosos se reflejan en todas direcciones, lo que no permite la formación de imágenes.
Refracción de la luz es el cambio de dirección que sufre la luz cuando pasa de una sustancia transparente a otra. Ejemplo, el aire, a otro, como el agua.
Los rayos de luz que cambian de dirección se llaman rayos refractados.
- Primera ley: El rayo incidente, la normal y el refractado se encuentran en un mismo plano.
- Segunda ley: Si un rayo incidente pasa de un medio a otro de mayor densidad, el rayo refractado se acerca a la normal. Pero, si pasa a otro de menor densidad, el rayo refractado se aleja de la normal.
Elementos de la refracción
En toda refracción podemos distinguir los siguientes elementos:
- Rayo incidente: es el rayo que incide sobre la superficie de ambos medios en forma oblicua.
- Rayo refractado: es el rayo que atraviesa el medio y cambia su dirección y velocidad.
- Normal: es la línea imaginaria perpendicular a la superficie
- Ángulo de incidencia (i). Es el ángulo que forman el rayo incidente y la normal.
-Ángulo de refracción (r). Es el ángulo que forman la normal y el rayo refractado.
Isaac Newton, consideraba la luz como una corriente rectilínea de pequeñas partículas emitidas por cuerpos luminosos; definiendo la propagación rectilínea de la luz y la reflexión; mediante el rebote de las partículas sobre una superficie. En los comienzos del siglo XIX, la teoría de que la luz se comportaba como una onda fue demostrada; sin embargo, se desconocía su propagación en el vacío, ya que el sonido, siendo una onda no se propagaba.
La explicación fue, el considerar que la luz se transportaba en un medio invisible al que llamaron éter. Actualmente, se admite que la luz tiene doble naturaleza; se comporta como materia en movimiento (naturaleza de partícula) y como onda que se desplaza asociada a la materia (naturaleza ondulatoria).
El físico alemán, Albert Einstein, realizó varios experimentos y uno de ellos, fue el efecto fotoeléctrico, en el que las partículas de la luz las denominó fotones. La teoría, expone el motivo por el que la luz puede transmitirse en el vacío mediante el movimiento de los fotones.
La luz se define como la “longitud de onda” a la distancia entre dos puntos con el mismo valor. El espectro abarca desde las ondas de radio, pasando por las microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, la radiación ultravioleta, los rayos X y finalmente, los rayos gamma; todas estas emisiones son producidas por la misma fuente de luz que nos ilumina cada día.
La velocidad máxima conocida que puede alcanzar la luz en el universo es de 300.000 Km/s en el vacío.
Está formada por vibraciones electromagnéticas con longitudes de onda que van aproximadamente desde los 350 nanómetros a 750 [1 nanómetro (1 nm) es igual a la milmillonésima parte del metro]. Lo que conocemos como luz blanca es la suma de todas las ondas comprendidas entre esas longitudes de onda, cuando sus intensidades son semejantes.
La luz se forma por saltos de electrones en los orbitales de los átomos. Los electrones poseen la extraña cualidad de moverse en determinados orbitales sin consumir energía, pero cuando caen a un orbital inferior de menor energía, significa, que se encuentra más próximo al núcleo y emiten energía en forma de radiación. Algunos saltos producen radiación visible que denominamos luz, radiación que ven nuestros ojos en su manifestación de color.
La luz es una forma de energía emitida por los cuerpos que nos permite percibirlos mediante el sentido de la vista ( foto: Cañón del antílope-Arizona). Los objetos visibles pueden ser: objetos luminosos (emiten luz) y objetos iluminados (reflejan la luz); la luz que procede de un objeto visible, se transmite mediante un movimiento ondulatorio (teoría ondulatoria de Christian Huygens) hasta llegar a nuestros ojos, y se envía al cerebro en forma de imagen.
En óptica se define, como el proceso por cual un rayo de luz que incide sobre una superficie rebota sobre ella; el color de los objetos reflectores dependerá de su absorción y del espectro de la luz que incida sobre ellos.
Las ondas electromagnéticas son transversales, pues las vibraciones de los campos eléctrico y magnético se producen en dirección perpendicular a la dirección de propagación y no requieren ningún medio; de ahí, que la luz del Sol alcance la Tierra después de recorrer una gran distancia en el vacío.
Se produce cuando el conjunto de todas las longitudes de onda del espectro visible está en proporciones iguales. Cada longitud de onda corresponde a un color diferente desde el rojo oscuro hasta la violeta.
Algunas enfermedades de la visión impiden apreciar la proporcionalidad, como el daltonismo (Defecto que consiste en la imposibilidad de distinguir los colores) o la acromatópsia (Defecto que no permite ver los colores con precsión).
La naturaleza física de la luz ha representado uno de los problemas más complejos de la ciencia moderna y solo en épocas recientes a comienzos del siglo XX se ha resuelto satisfactoriamente.
Son aquellas líneas imaginarias que describen el recorrido de un rayo de luz dentro de una lente. En teoría son tres rayos los necesarios para hacer la formación de imágenes pero con dos de ellos se puede realizar este procedimiento.
Rayos notables en lentes convergentes:
1. Todo rayo que incide paralelo al eje principal se refracta pasando por el foco.
2. Todo rayo que incide pasando por el foco se refracta paralelo al eje principal.
3. Todo rayo que pasa por el centro óptico se refracta sin sufrir desviación
Rayos notables en lentes divergentes:
1. Todo rayo que incide paralelo al eje principal se refracta en una dirección tal que su prolongación pasa por el foco.
2. Todo rayo que incide en la dirección del foco se refracta paralelo al eje principal.
3. Todo rayo que incide en el centro óptico se refracta sin sufrir desviación
Como se forman las imagenes
• Cuando la imagen se forma del lado contrario a la ubicación del objeto se denomina real.
• Cuando la imagen se forma del mismo lado del objeto se denomina virtual.
Espejo plano:
Los espejos planos los utilizamos con mucha frecuencia. Si eres buen observador te habrás fijado en que la imagen producida por un espejo plano es virtual, ya que no la podemos proyectar sobre una pantalla, tiene el mismo tamaño que el objeto y se encuentra a la misma distancia del espejo que el objeto reflejado.
Habrás observado también que la parte derecha de la imagen corresponde a la parte izquierda del objeto y viceversa. Esto se llama inversión lateral.
Si la superficie del segundo medio es lisa, puede actuar como un espejo y producir una imagen reflejada (figura 2). En la figura 2, la fuente de luz es el objeto A; un punto de A emite rayos en todas las direcciones. Los dos rayos que inciden sobre el espejo en B y C, por ejemplo, se reflejan como rayos BD y CE. Para un observador situado delante del espejo, esos rayos parecen venir del punto F que está detrás del espejo. De las leyes de reflexión se deduce que CF y BF forman el mismo ángulo con la superficie del espejo que AC y AB. En este caso, en el que el espejo es plano, la imagen del objeto parece situada detrás del espejo y separada de él por la misma distancia que hay entre éste y el objeto que está delante.
Si la superficie del segundo medio es rugosa, las normales a los distintos puntos de la superficie se encuentran en direcciones aleatorias. En ese caso, los rayos que se encuentren en el mismo plano al salir de una fuente puntual de luz tendrán un plano de incidencia, y por tanto de reflexión, aleatorio. Esto hace que se dispersen y no puedan formar una imagen.
Lentes
El término lente es el nombre asignado a una pieza de vidrio, plástico u otro material transparente, generalmente de diámetro circular, que posee dos superficies pulidas y diseñadas de una manera específica para producir la convergencia o divergencia de los rayos luminosos que la atraviesan. La acción de una lente depende de los principios de refracción y reflexión, los cuales pueden entenderse mediante unas sencillas reglas de geometría que rigen el paso y trayecto de la luz a través de la lente. Estos conceptos son materia de estudio de la Óptica Geométrica y permiten comprender el proceso de magnificación, las propiedades de las imágenes real y virtual, así como también los defectos (aberraciones) de las lentes
La palabra lente proviene del latín "lentis" que significa "lenteja" por lo que a las lentes ópticas se les llama así por su semejanza con la forma de la legumbre
Las lentes son instrumentos ópticos que concentran o dispersan los rayos de luz. Sus dos superficies pueden ser curvas (biconvexas, bicóncavas o cóncavo-convexas) o una de ellas puede ser planas (plano-convexas, plano-cóncavas) Las lentes de superficies convexas se denominan positivas, convergentes, recolectoras o de aumento. Las lentes de superficies cóncavas son conocidas como negativas, divergentes, de dispersión y producen una imagen reducida.
La luz se propaga con una trayectoria rectilínea y con una velocidad constante en cada medio. Cuando incide en un objeto, el rayo luminoso se comporta de diversas maneras, produciéndose: Refracción, Reflexión, Difracción, Absorción-Transmisión, Interferencia y Polarización. Describiremos someramente la refracción y la reflexión por su utilidad en la formación de las imágenes aumentadas por las lentes.
Una lente convexa es más gruesa en el centro que en los extremos. La luz que atraviesa una lente convexa se desvía hacia dentro (converge). Esto hace que se forme una imagen del objeto en una pantalla situada al otro lado de la lente. La imagen está enfocada si la pantalla se coloca a una distancia determinada, que depende de la distancia del objeto y del foco de la lente. La lente del ojo humano es convexa, y además puede cambiar de forma para enfocar objetos a distintas distancias. La lente se hace más gruesa al mirar objetos cercanos y más delgados al mirar objetos lejanos. A veces, los músculos del ojo no pueden enfocar la luz sobre la retina, la pantalla del globo ocular. Si la imagen de los objetos cercanos se forma detrás de la retina, se dice que existe hipermetropía.
Las lentes cóncavas están curvadas hacia dentro. La luz que atraviesa una lente cóncava se desvía hacia fuera (diverge). A diferencia de las lentes convexas, que producen imágenes reales, las cóncavas sólo producen imágenes virtuales, es decir, imágenes de las que parecen proceder los rayos de luz. En este caso es una imagen más pequeña situada delante del objeto (el trébol). En las gafas o anteojos para miopes, las lentes cóncavas hacen que los ojos formen una imagen nítida en la retina y no delante de ella.
Existen lentes convergentes y divergentes:
Tipos de lentes convergentes
Las lentes convergentes son más gruesas por el centro que por el borde, y concentran (hacen converger) en un punto los rayos de luz que las atraviesan. A este punto se le llama foco (F) y la separación entre él y la lente se conoce como distancia focal (f).
Observa que la lente 2 tiene menor distancia focal que la 1. Decimos, entonces, que la lente 2 tiene mayor potencia que la 1.
La potencia de una lente es la inversa de su distancia focal y se mide en dioptrías si la distancia focal la medimos en metros.
Las lentes convergentes se utilizan en muchos instrumentos ópticos y también para la corrección de la hipermetropía. Las personas hipermétropes no ven bien de cerca y tienen que alejarse los objetos. Una posible causa de la hipermetropía es el achatamiento anteroposterior del ojo que supone que las imágenes se formarían con nitidez por detrás de la retina.
Tipos de lentes divergentes
Si las lentes son más gruesas por los bordes que por el centro, hacen diverge (separan) los rayos de luz que pasan por ellas, por lo que se conocen como lentes divergentes.
Si miramos por una lente divergente da la sensación de que los rayos proceden del punto F. A éste punto se le llama foco virtual.
En las lentes divergentes la distancia focal se considera negativa.
La miopía puede deberse a una deformación del ojo consistente en un alargamiento anteroposterior que hace que las imágenes se formen con nitidez antes de alcanzar la retina. Los miopes no ven bien de lejos y tienden a acercarse demasiado a los objetos. Las lentes divergentes sirven para corregir este defecto.
Refracción de los rayos luminosos en la interfase aire-agua.
Si dividimos la velocidad de la luz en el vacío entre la que tiene en un medio transparente, obtenemos un valor que llamamos índice de refracción de ese medio y es el cociente entre velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el medio que se estudia:
n: índice de refracción
c: velocidad de la luz en el vacío
v: velocidad de la luz en el medio material transparente
El índice de refracción de un medio es una medida para saber cuánto se reduce la velocidad de la luz dentro del medio transparente en estudio. Si el índice de refracción del agua es n= 1,33, quiere decir que la luz es 1,33 veces más rápida en el vacío que en el agua y es un valor que tiene que ver con las propiedades de las lentes
Imagen Real e Imagen Virtual
Imagen real: Cuando el ojo está percibiendo una imagen real, los rayos de luz provenientes de ese objeto llegan sobre la retina directamente del objeto. (No son prolongaciones del rayo, pueden ser rayos directo o por reflejo en un espejo o lente)
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| Imagen Real |
Imagen virtual: Cuando el ojo percibe una imagen virtual esos rayos que ve el ojo proceden del espejo (La imagen se percibe en el lugar donde convergen las prolongaciones de esos rayos divergentes).
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| Imagen Virtual |
En el diagrama anterior se muestran un par de pinceles (rayos) que ayudan a formar la imagen retiniana de un objeto real y también de una imagen virtual (producida por un espejo plano), y la única diferencia ente un caso y el otro es que cuando el ojo está percibiendo un objeto real los pinceles que caen sobre la retina proceden directamente del objeto, mientras que cuando percibe una imagen virtual esos pinceles proceden del espejo pero en cuanto a su divergencia es igual (las vemos de igual forma en nuestro cerebro).
Cómo se produce una imagen virtual
Un espejo plano es una superficie plana que puede reflectarse la luz que le llega con una capacidad reflectora de la intensidad de la luz incidente del 95%. Una imagen de un espejo se ve como si el objeto estuviera detrás del espejo, y no enfrente, ni en la superficie.
El sistema óptico del ojo recoge los rayos que salen divergentes del objeto y los hace converger en la retina. El ojo identifica la posición que ocupa un objeto en el lugar donde convergen las prolongaciones del haz de los rayos divergentes que llegan. Estas prolongaciones no coinciden con la posición real del objeto. En este punto es donde se forma la imagen virtual del objeto.
La imagen obtenida en un espejo plano, no se puede proyectar encima de una pantalla; colocar una pantalla donde parece estar la imagen no recogerá nada. Por eso es una imagen virtual, una copia del objeto. El sistema óptico del ojo es el que recoge los rayos divergentes del espejo, y el cerebro interpreta los procedentes de detrás del espejo.
El condicionamiento de la convergencia de los ejes de visión, se ha de tener en cuenta en el planteamiento de una imagen virtual, con diferentes objetos, el efecto estereoscópico tiene lugar con variaciones relativas a la distancia en el cual se encuentran los objetos de los ojos. Una imagen, mezclando la recepción de los dos ojos hemos de tener una atención especial al objeto, con el objetivo de modificar el ángulo de los ejes de visión de nuestros ojos.
La convergencia de los ejes de visión nos da como resultado la captación más definida de la imagen observada, y a la vez que se mantiene la información relativa a la distancia, siendo casi paralelos a los ejes de visión en los objetos lejos y ampliamente divergentes en los objetos más cercanos. Se ha de tener en cuenta el condicionamiento que lleva el ajustamiento de los ángulos de visión de los ojos: se trata de la automática variación de la distancia focal, que permite mantener la imagen con el enfoque preciso para que la captación de la misma sea la más nítida posible.
Es decir, una imagen virtual, se ve como si estuviera dentro del espejo, no se puede formar encima de la pantalla pero puede ser vista cuando se enfoca con los ojos.
