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domingo, 31 de agosto de 2008

LA NATURALEZA DE LA LUZ TEORÍAS SOBRE LA NATURALEZA DE LA LUZ
La luz es el agente físico que hace visibles los objetos. Se denomina luz a la claridad que irradian los cuerpos cuando están en combustión, ignición o incandescencia.
Hasta mediados del siglo XVII, se creía que la luz estaba formada por corpúsculos emitidos por los focos luminosos - tales como el sol o la llama de una vela - que viajaban en línea recta y atravesaban los objetos transparentes pero no los opacos, excitando el sentido de la vista al penetrar en el ojo.
Alrededor de esa fecha, sin embargo, empezó a abrirse paso la teoría de que la luz obedecía, en realidad, a algún tipo de fenómeno ondulatorio.En efecto, Christian Huygens demostró, en 1660, que las leyes de la óptica podían explicarse basándose en la suposición de que la luz tenía naturaleza ondulatoria. En aquel momento, la teoría ondulatoria de la luz no fue aceptada, fundamentalmente por el apoyo de Newton a la teoría corpuscular. Dado el enorme prestigio del que gozaba Newton, la teoría de Christian Huygens fue ignorada por la comunidad científica.
Casi un siglo y medio después, en 1827, los experimentos de Thomas Young y Augustin Fresnel sobre interferencia y difracción, y otras experiencias posteriores de Leon Foucault, sobre medidas de velocidad de la luz en el seno de líquidos, pusieron en evidencia que la teoría corpuscular era poco apropiada para explicar determinados fenómenos ópticos.En 1873, los experimentos de James Clerk Maxwell permitieron demostrar que la velocidad de las ondas electromagnéticas era sensiblemente igual a la de la luz; de ello se dedujo que la naturaleza de esta última debía ser la misma que la de las ondas electromagnéticas de frecuencia extremadamente corta. Esta teoría fue verificada en los experimentos realizados por Hetz en 1888. Como consecuencia de los hallazgos descritos, a finales del siglo XIX, los científicos creyeron estar en posesión de un conocimiento completo sobre la naturaleza de la luz. Sin embargo, el desarrollo posterior de la ciencia demostraría que esta pretensión era incorrecta.
La teoría electromagnética clásica no podía explicar la emisión de electrones por parte de un conductor cuando se produce incidencia de luz sobre su superficie, fenómeno que se conoce como efecto fotoeléctrico. Este efecto fue explicado en 1905 por Albert Einstein quien, fundándose en una idea propuesta anteriormente por Planck, postuló que la energía de un haz luminoso se hallaba concentrada en pequeños paquetes o fotones. Aun así, el fotón tenía una frecuencia, y su energía era proporcional a ella. El mecanismo del efecto fotoeléctrico consistiría en la transmisión de energía de un fotón a un electrón.Los experimentos de Millikan demostraron que la energía cinética de los fotoelectrones coincidía exactamente con los valores obtenidos mediante la fórmula de Einstein
El punto de vista actual es aceptar el hecho de que la luz parece tener una doble naturaleza que explica de forma diferente los fenómenos de la propagación de la luz y de la interacción de la luz y la materia.
Clasificación de los cuerpos según la optica
Desde el punto de vista del comportamiento que tienen los cuerpos frente a la luz, podemos distinguir:Cuerpo transparente: Es aquel cuerpo que deja pasar la luz a través de su masa y permite ver los objetos que hay detrás de él. Por ejemplo, el aire, agua, algunos plásticos, etc.Cuerpo traslúcido: Es aquel que deja pasar la luz, pero no permite el reconocimiento de los objetos que hay detrás de el. Por ejemplo, el vidrio empavonado, papel, algunos plásticos, etc.Cuerpo opaco: Es aquel que no deja pasar la luz, porque la absorbe o la refleja. Por ejemplo, la madera, metales, cemento, etc.
No obstante, cabe señalar que la distinción entre cuerpos transparentes, opacos y translúcidos depende de su espesor. Piénsese, por ejemplo, en el agua; para espesores pequeños se comporta como un medio transparente, mientras que en espesores mayores, como en el mar, no es posible ver nítidamente los obj
Propagación de la luz
La luz que proviene de fuentes luminosas naturales o artificiales (Sol, relámpagos, velas incandescentes, etc.) y que se propaga en medios homogéneos (idénticas propiedades en todos sus puntos) e isótropos (idénticas propiedades en todas direcciones), se desplaza en línea recta, de acuerdo al primer postulado de óptica geométrica, es decir, la luz se desplaza rectilínea e independientemente de su naturaleza y velocidad.Una consecuencia directa de esta propagación, es la formación de sombras y penumbras, las cuales dependen del tipo de fuente luminosa.En general, una fuente luminosa constituye un cuerpo que emite o refleja radiaciones capaces de estimular al órgano de la visión. Por ejemplo, metales a altas temperaturas, relámpagos, estrellas, etc. Lo anterior permite clasificar las fuentes luminosas en: puntuales y extensas.
Sombra: Se produce cuando la luz proviene de una fuente luminosa (puntual o extensa) y choca con un cuerpo opaco, generando un espacio privado de luz inmediatamente detrás de dicho cuerpo. · Penumbra: Se produce cuando la luz proviene de una fuente luminosa extensa y choca con un cuerpo opaco, generando una sombra total o pura llamada umbra, y una zona parcial o difusa, denominada penumbra.




Eclipses y fases de la luna

Los eclipses son consecuencia directa de la propagación rectilínea de la luz. Los eclipses de Sol se producen cuando la Luna se interpone entre el Sol y la Tierra (queda eclipsado el Sol). Los eclipses de Luna se producen cuando la Tierra se interpone entre la Luna y el Sol.Fases de la luna: Las fases de la luna son las diferentes iluminaciones que presenta nuestro satélite en el curso de un mes.
La órbita de la tierra forma un ángulo de 5º con la órbita de la luna, de manera que cuando la luna se encuentra entre el Sol y la Tierra, uno de sus hemisferios, el que nosotros vemos, queda en la zona oscura, y por lo tanto, invisible a nuestra vista (luna nueva o novilunio). A medida que la luna sigue su movimiento de traslación, va creciendo la superficie iluminada visible desde la tierra, hasta que esta alcanza la primera mitad de su hemisferio; esta fase se denomina cuarto creciente. Luego, cuando todo el hemisferio está iluminado, recibe el nombre de luna llena o plenilunio. Posteriormente, la superficie iluminada empieza a decrecer o menguar hasta la mitad; es el cuarto menguante. Finamente, vuelve a su posición inicial y desaparece completamente de nuestra vista, para recomenzar un nuevo ciclo



Velocidad de la luz
Durante mucho tiempo, se creyó que la Luz se propagaba en forma instantánea. Galileo intentó medir la velocidad de la luz con un método similar al empleado en la medición de la velocidad del sonido, pero sin éxito alguno. En 1675, el astrónomo holandés Olaf Roemer (1644-1710) logró dar una respuesta a este problema.Roemer advirtió que los momentos previstos en las tablas astronómicas para la desaparición de los satélites de Júpiter detrás de ese planeta, se anticipaban o retrasaban con respecto a sus mediciones, según Júpiter estuviera más cerca o más lejos de la Tierra. Roemer dedujo que dicha anomalía podía atribuirse a que la luz tiene velocidad finita y por lo tanto, emplea menos tiempo en llegar a nosotros cuando Júpiter está más próximo, y viceversa.En aquella época, no se conocían en forma exacta las distancias planetarias; por lo que el valor de la velocidad de la luz calculado por Roemer fue relativamente impreciso. Sin embargo, su trabajo tuvo el gran mérito de demostrar que le velocidad de la luz es una cantidad finita. Sucesivas determinaciones, tanto a través de métodos astronómicos como terrestres (en laboratorio), han llevado al descubrimiento de un valor de la velocidad de la luz en el vacío, que es de c=299.792, 458 km/seg. (Alrededor de mil millones de kilómetros por hora).Para efectos prácticos del cálculo, se utiliza el valor de c=300.000 km/seg.

Índice de refracción La velocidad de la luz varía al pasar de un medio de propagación a otro, alcanzando su mayor valor en el vacío.Lo anterior, permite definir el índice de refracción absoluto “n” de un medio transparente como cociente entre la velocidad de la luz en el vacío “c” y la velocidad que tiene la luz en ese medio “v”. El valor de “n” es siempre adimensional y mayor que la unidad y es una constante característica de cada medio:
Principio de Fermat De acuerdo al principio formulado en 1650 por Pierre Fermat, para desplazarse desde un punto “A” hasta otro “B”, la luz elige siempre un camino tal, que el tiempo que demore en recorrerlo sea el mínimo (o, a veces, el máximo). Es de notar que este valor mínimo se refiere al tiempo de recorrido, no el espacio que recorre.
De este modo, en un mismo medio, la luz viaja en línea recta, porque como la velocidad es constante, el tiempo mínimo se logra con una distancia mínima, correspondiente a la recta entre dos puntos.En cambio, en la reflexión, en que es necesario desplazarse de un punto “A” a otro “B”, siguiendo distintos caminos rectos, el menor tiempo de recorrido se logrará eligiendo una trayectoria en que el ángulo de incidencia sea igual al de reflexión.
En la refracción, por su parte, si se debe ir, por ejemplo, de un punto “A” situado en un medio donde el desplazamiento es muy rápido, a otro punto “B”, ubicado en un medio distinto, en el que la velocidad de desplazamiento resulta muy lenta, será más favorable, para llegar antes, recorrer un tramo más largo en el medio que permite mayor rapidez, reduciendo el espacio de recorrido en el medio más lento. Una situación similar es la que enfrenta un automovilista cuando para ir de un sitio a otro, prefiere tomar una autopista, aunque le signifique un pequeño rodeo, que una carretera de tierra y piedras que vaya recta; de este modo, si bien en la autopista el trayecto será más largo, el tiempo de recorrido será menor.

REFLEXIÓN DE LA LUZ

Es una propiedad de la luz que consiste en el rechazo y cambio de dirección que sufren los rayos luminosos al chocar contra una superficie que no pueden atravesar.
Leyes de la reflexión
1.- Los rayos luminosos, incidente y reflejado, y la normal a la superficie reflectora en el punto de incidencia, están en el mismo plano (coplanares).2.- El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión respecto a la normal.Se pueden distinguir dos tipos de reflexión:
Reflexión regular: Es la que se produce cuando la luz incide sobre una superficie pulimentada, cumpliéndose las dos leyes de reflexión. Si el rayo incidente es perpendicular a la superficie, entonces se refleja a sí mismo.Este fenómeno explica que los cuerpos pulimentados puedan verse sólo cuando el ojo está en la dirección de los rayos reflejados
Reflexión difusa: Es la que se produce cuando la luz incide sobre una superficie no pulimentada. Luego, no se cumplen las leyes de la reflexión regular, ya que los rayos reflejados salen en todas las direcciones. Por esta razón, los cuerpos no luminosos pueden verse desde cualquier parte, al ser iluminados.
Espejos
Constituyen superficies pulimentadas capaces de reflejar la luz. Pueden clasificarse en espejos planos y curvos. Estos últimos, a su vez, pueden ser esféricos, cilíndricos, parabólicos y elípticos.Espejos planos: En este tipo de espejos, muy común en nuestras casas, en salones de belleza, tiendas, salas de baño, etc., las imagen que se forma tiene las siguientes características:- Es virtual (se forma detrás del espejo) y derecha.- Es del mismo tamaño que el objeto- Es simétrica del objeto con respecto al plano del espejo.- Presenta una inversión de derecha a izquierda



Espejos en ángulo
Cuando se ubican dos espejos planos formando un ángulo entre sí, se generan imágenes, cuyo número depende del ángulo que forman los espejos, para lo cual se establece la siguiente relación.

Espejos esféricos: Son casquetes esféricos de superficie pulimentada. Si están pulimentados y la reflexión se produce en la parte interior, se denominan cóncavos o convergentes; si están pulimentados y la reflexión sucede en su parte exterior, se denominan convexos o divergentes.Elementos asociados a los espejos esféricos (cóncavos y convexos)
Centro geométrico o centro de curvatura (C): Es el centro de la esfera a la que pertenece el espejo.· Centro óptico o vértice (O): Es el punto medio del espejo· Eje principal (CO): Es la recta que une el centro óptico con el vértice.· Foco principal (F): Es el punto donde convergen los rayos reflejados que inciden en forma paralela al eje principal. Corresponde al punto medio entre el centro de curvatura y el espejo.· Radio de curvatura (r): Es el radio de superficie esférica. Observación: La distancia focal corresponde al punto medio entre el centro óptico y el centro geométrico. Luego f=r/2

Consideraciones sobre los rayos en espejos esféricos
1.- Todo rayo luminoso que incide en forma paralela al eje principal, se refleja pasando por el foco F2.- Todo rayo luminoso que incide pasando por el centro de curvatura, se refleja sobre sí mismo.3.- Todo rayo luminoso que incide pasando por el foco, se refleja paralelamente al eje principal.
Construcción geométrica de imágenes en espejos cóncavos:
Imagen de un objeto situado entre el infinito y el centro geométrico Fig. (1).
Se obtiene una imagen real, invertida y de menor tamaño que el objeto


Imagen de un objeto situado entre el centro geométrico y el foco
Fig. (2).
Se obtiene una imagen real, invertida y de mayor tamaño que el objeto



Imagen de un objeto situado dentro de la distancia focal Fig. (3).Se obtiene una imagen virtual, derecha y de mayor tamaño que el objeto, ubicada tras el espejo

Los espejos cóncavos se utilizan en faros reflectores (el foco luminoso se ubica en el foco del espejo), en espejos de maquillaje, etc.

Imágenes en espejos convexos:
En este tipo de espejos Fig. (4), con independencia de la posición del objeto, se generan imágenes virtuales, derechas, de menor tamaño y situadas entre el foco y el espejo. El tamaño de la imagen aumenta en la medida que el objeto se acerca al espejo. Su ventaja radica en el mayor campo visual que proporcionan. Se utilizan, por ejemplo, en los espejos retrovisores de los vehículos.La localización de la imagen en espejos esféricos depende de la posición del objeto y de la distancia focal del espejo. Similarmente, el tamaño de la imagen depende de la altura y ubicación del objeto: