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ÓPTICA FÍSICA (luz)

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Ondas electromagnéticas. Espectro electromagnético Naturaleza de la luz. Propagación de la luz. Fenómenos ondulatorios. Fenómenos corpusculares.

Física 2º bachillerato

Óptica física (luz)

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ÓPTICA FÍSICA (luz)

La óptica física estudia los fenómenos relacionados con la luz que para su estudio tienen en cuenta el carácter ondulatorio de la luz.



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0. Conocimientos previos Los conocimientos previos que son necesarios dominar y ampliar son: •

•

•

•

Un movimiento ondulatorio es una forma de transmisión de energía sin transmisión de materia. En un movimiento ondulatorio se propaga mediante una perturbación de nominada onda. Las ondas pueden ser longitudinales o transversales. Las magnitudes características de una onda son: amplitud, longitud de onda, periodo y frecuencia. Física 2º bachillerato


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1. Ondas electromagnéticas. La onda electromagnética es el conjunto formado por un campo eléctrico (E) y un campo magnético (B) que vibran perpendiculares entre sí y, a la vez, perpendiculares a la velocidad de propagación de la onda (onda transversal). 



E

B Campo magnético



E Campo eléctrico



B



B



E

La luz es una onda electromagnética. Física 2º bachillerato


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1. Ondas electromagnéticas. Una onda electromagnética es un perturbación periódica de los campos eléctricos y magnéticos asociados y propagándose de manera perpendicular entre sí, estando sus oscilaciones en fase y siendo perpendiculares a la dirección de propagación (transversales). La onda electromagnética se produce como consecuencia de una carga eléctrica que tiene un movimiento acelerado originando una perturbación electromagnética debido a la emisión de energía en forma electromagnética. En el vacío una onda electromagnética se propaga a velocidad constante siendo esta la velocidad de la luz (3·10 8 m/s).



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2. Espectro electromagnético. El espectro electromagnético es el conjunto de todas las radiaciones de distinta frecuencia (y longitud de onda) en que puede descomponerse la radiación electromagnética. La espectroscopia es la parte de la ciencia que se encarga de estudiar la composición espectral de las radiaciones emitidas o absorbidas por átomos, moléculas o iones. Los espectros de estas entidades son características (la huella dactilar de la materia).



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3. Naturaleza de la luz. 1671 = Según la teoría corpuscular (Isaac Newton) la luz es un corpúsculo (materia). Avalado por el efecto fotoeléctrico y el efecto Compton. 1678 = Según la teoría ondulatoria (Christian Huygens) la luz es una onda (energía). Avalado por los efectos de reflexión, refracción, interferencia, difracción y polarización de la luz. Física 2º bachillerato


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3. Naturaleza de la luz. 1905 = Surge la teoría dual (Einstein) donde la naturaleza de la luz tiene un doble origen. Su naturaleza ondulatoria se pone de manifiesto al propagarse. Su naturaleza corpuscular se pone de manifiesto al interaccionar con la materia. Se utiliza una naturaleza u otra en función del estudio. La energía viene determinada por la expresión a partir de la constante de Planck: . Física 2º bachillerato

E  h   (6.626 1034 )  frecuencia Óptica física (luz)

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4. Propagación de la luz. La luz no se propaga igual en todos los medios, depende de las características del medio. El índice de refracción (n) de un medio es el cociente entre la velocidad de propagación de la onda luminosa en el vacío y la velocidad de propagación de la onda luminosa en el medio correspondiente. c 8 n  c  3 10 m s v El índice de refracción relativo indica la relación de los índices de refracción entre dos medios. n n1,2  1 . n2 •



Índice de refracción de algunas sustancias

Aire

1,00

Agua

1,33

Aceite

1,45

Vidrio para botellas

1,52

Vidrio crown ligero

1,54

Vidrio flint ligero

1,58

Cristalino

1,44

Cuarzo

1,54

Diamante

2,42

Nailon 66

1,53 9

4. Propagación de la luz. El camino óptico es el espacio que recorre la luz en el vacío en el mismo tiempo que recorre una distancia (s) en un medio de índice de refracción n. El principio de Fermat establece que la luz sigue una trayectoria que implica el camino óptico mas pequeño entre todos los posibles, es decir, se propaga de forma que el tiempo invertido sea el menor. Un rayo es la línea imaginaria que muestra la dirección de propagación. En un medio transparente y homogéneo, la luz se propaga en línea recta. Su velocidad se puede relacionar con su longitud de onda y su frecuencia. c    c  T Física 2º bachillerato




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5. Fenómenos ondulatorios 1. Reflexión y refracción: Cuando la luz se desplaza a través de un medio (rayo incidente) e incide sobre una superficie (en el punto O) se originan dos rayos: El rayo reflejado que permanece en el mismo medio. El rayo refractado que atraviesa al otro medio. Foco

Rayo reflejado N

Rayo incidente A B

r i

i

i

’

O r


r i

’

Tanto en la reflexión como en la refracción, el rayo incidente, la normal y los rayos reflejados o refractados se S encuentran en el mismo plano.

r r

Rayo refractado Óptica física (luz)

’

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5. Fenómenos ondulatorios En este fenómeno hay que identificar: •

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

La normal (perpendicular a la superficie). El punto de incidencia. El medio 1. El índice de refracción del medio 1. El rayo incidente. El ángulo incidente. El rayo reflejado. El ángulo de reflexión. El medio 2. El índice de refracción del medio 2. El rayo refractado. El ángulo de refracción.


En este fenómeno hay que conocer: –

La ley de reflexión: 1   2

–


La ley de refracción (de Snell):

n1  sen(i )  n2  sen( r )

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5. Fenómenos ondulatorios Si la superficie en la que se refleja la luz es irregular, a un haz de rayos incidentes paralelos le corresponde rayos reflejados en diversas direcciones. La reflexión es difusa. Si la superficie en la que se refleja la luz es lisa, a un haz de rayos incidentes paralelos le corresponde rayos reflejados también paralelos entre sí. La reflexión es especular, es lo que ocurren en los espejos.



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5. Fenómenos ondulatorios El ángulo límite es el ángulo de incidencia a partir del cual se corresponde con un ángulo de refracción de 90º.

N

N

Produce el fenómeno de la reflexión total donde todo es reflejado y nada es refractado. El índice de refracción del medio A es mayor que el índice de refracción del medio B. En este fenómeno se basa la fibra óptica donde el núcleo de cristal tiene un índice de refracción muy elevado rodeado por una capa de plástico de menor índice de refracción produciendo una reflexión interna total. Física 2º bachillerato

A

Rayo reflejado

L

L

Rayo reflejado

B


Fuente de luz

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5. Fenómenos ondulatorios Un rayo de luz que incide sobre una lámina transparente cuyas caras sean planas y paralelas sufre una refracción en cada una de ellas. Al pasar de un medio a otro varía la longitud de onda pero no su frecuencia.



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EJERCICIO-EJEMPLO Un estrecho haz de luz de frecuencia  = 5 · 1014 Hz incide sobre un cristal de índice de refracción n = 1,52 y anchura d. El haz incide desde el aire formando un ángulo de 30º (ver figura). Se pide: a) ¿Cuánto vale la longitud de onda de la luz incidente en el aire y en el cristal? b) ¿Cuál será el ángulo que forma el haz de luz cuando atraviesa el cristal y entra de nuevo en el aire? Química 2º bachillerato

Estructura de la materia

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RELACIÓN DE EJERCICIOS REFRACCIÓN Y REFLEXIÓN



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5. Fenómenos ondulatorios Un prisma óptico es un dispositivo limitado por dos caras planas no paralelas que forman un ángulo, denominado ángulo de prisma, y que separa dos medios con distinto índice de refracción. Relación de ángulos: r2 = α - r1



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5. Fenómenos ondulatorios La relación de ángulos se demuestra por trigonometría. n N1

 1

  1   2

N2



1

n


n



2

2

´

  1   2   Óptica física (luz)

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EJERCICIO-EJEMPLO Un rayo de luz monocromática incide sobre una cara lateral de un prisma de vidrio, de índice de refracción n = √2 . El ángulo del prisma es a = 60º. Determinar: a) El ángulo de emergencia a través de la segunda cara lateral si el ángulo de incidencia es de 30º ( completar dibujo ). b) El ángulo de incidencia para que el ángulo de emergencia del rayo sea 90º.

Química 2º bachillerato

Estructura de la materia

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RELACIÓN DE EJERCICIOS PRISMAS



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5. Fenómenos ondulatorios 2. Interferencias: La interferencia es la coincidencia de dos o más movimientos ondulatorios en un mismo punto. Para que se produzca ambos tienen que ser coherentes (misma longitud de onda -misma frecuencia-, misma amplitud y F una diferencia de fase constante).

Máx (n=2)

S

Máx (n=1)

1

Mín Máx

d

Es un fenómeno poco frecuente que origina franjas paralelas claras y oscuras (luz más luz puede dar oscuridad). Física 2º bachillerato

Mín


(n=0)

Mín

S

Máx (n=1)

2

Mín Máx (n=2)

Pantalla 22

5. Fenómenos ondulatorios 3. Difracción: La difracción es el cambio de dirección de propagación que sufre una onda, sin cambiar de medio, cuando se encuentra un obstáculo de sus dimensiones en su camino. El objeto debe tener una dimensión menor o igual que la longitud de onda. La difracción es un fenómeno de interferencia, contradice la propagación rectilínea de la luz.



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5. Fenómenos ondulatorios 4. Polarización: La polarización es la vibración en una dirección preferente sobre las demás, es exclusiva de ondas transversales. Los campos eléctricos y magnéticos pasan de oscilar en todas las direcciones posibles a oscilar siempre en el mismo plano (linealmente polarizada). La polarización por reflexión se produce cuando la luz incide en un cambio de medio de manera que la suma de los ángulos incidentes y reflejados es 90º siendo el haz de luz reflejado linealmente polarizado en la dirección paralela al plano del cambio de medio. Física 2º bachillerato


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6. Fenómenos corpusculares La dispersión de la luz es la separación de un rayo de luz en sus componentes, separa una luz compleja en otras más sencillas (en cada una de las longitudes de onda que la componen). Una luz policromática (compleja) se descompone en un conjunto de luces monocromáticas (sencillas) que la forman cada una con una longitud de onda distinta en cada medio debido a su distinto indice de refracción. El conjunto de luces monocromáticas que forman se denomina espectro . La espectroscopia es la ciencia que estudia los espectros (de emisión y de absorción).

rojo

a

Luz blanca

Prisma Física 2º bachillerato

violet


Rojo Naranja Amarillo Verde Azul Índigo Violeta 25

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