Unidad 3 De Metrologia

3.1.- INTRODUCCIÓN A LA ÓPTICA

INTRODUCCIÓN A LA ÓPTICA

La parte de la física que estudia la luz recibe el nombre de óptica. La luz estaba considerada, hasta la mitad del siglo XVII como una corriente de corpúsculos. Huygens fue el primero en afirmar que la luz era una onda: suponía que era un movimiento ondulatorio de tipo mecánico (como el sonido) que se propaga en un supuesto medio elástico que llena todo y que se conocía con el nombre de éter.

El hecho real es que la luz parecía presentar características corpusculares al tiempo que ondulatorias. Maxwell, en 1873, contribuyó decisivamente a la teoría ondulatoria demostrando que la luz no era otra cosa que una onda electromagnética.

La óptica es la ciencia de controlar la luz. La luz es parte de un tipo de energía llamada “radiación electromagnética” (EM). La luz es la parte de las ondas EM que podemos ver y forma los colores del arcoíris.

Hablando más formal, la óptica es el campo de la ciencia y la ingeniería que comprende los fenómenos físicos y tecnologías asociadas con la generación, transmisión, manipulación, uso y detección de la luz.

La luz (viaja a 300 000 km/seg) es una onda electromagnética, esto significa que es una combinación de una onda eléctrica y una onda magnética (y una onda electromagnética viaja a la velocidad de la luz).

El estudio de la óptica se puede dividir en tres partes:

1. Óptica geométrica. Utiliza el método de los rayos luminosos.

2. Óptica física. Trata la luz considerada como un movimiento ondulatorio.

3. Óptica cuántica. Se refiere a las interacciones entre luz y las partículas atómicas.

Las ondas electromagnéticas pueden ser muchas, como se muestra en la siguiente figura:

Espectro electromagnético.

Existen tres formas de controlar la luz:

1. Bloqueándola con algo.

2. Reflejándola (conocido como reflexión).

3. Doblándola, es decir, la luz cambia su dirección pasando de un medio transparente a otro de diferente densidad, como aire o agua (conocido como refracción).

Para nosotros los seres humanos es muy importante controlar la luz, ya que los usos que le hemos dado son tan variados, como:

 Lentes de contacto

 Fotocopiadoras

 Microscopios y lupas

 Proyectores

 Reproductores de cd

 Rayos X

 Laser (Luz Amplificada por Efecto de Radiación Estimulada)

Cabe mencionar que este último se utiliza en la industria con fines de medición, cortar, soldar, etc.

3.2.- ÓPTICA GEOMÉTRICA

ÓPTICA GEOMÉTRICA

Rayos luminosos.- El concepto básico con que opera la óptica geométrica es el rayo luminoso, que, como veremos, da solo una descripción aproximada del camino que la luz sigue en el espacio, pero para muchos fines prácticos esa aproximación es suficiente.

Siendo un rayo luminoso un concepto geométrico. No se puede reproducir en un laboratorio, pero hacemos uso de una fuente de rayo paralelo y, limitado de esta porción, de tal manera que se deje pasar un haz cilíndrico de luz, se pueden reproducir casi todos los resultados teóricos con una aproximación.

Las Leyes de reflexión.

Se llama reflexión al rechazo que experimenta la luz cuando incide sobre una determinada superficie. Toda superficie que tenga la propiedad de rechazar la luz que incide en ella se llama superficie reflectora; lo contrario de una superficie reflectora es una superficie absorbente; estas superficies capturan la luz que incide sobre ellas transformándola en otras formas de energía, generalmente energía calorífica.

La reflexión se produce de acuerdo con ciertas leyes que llamamos leyes de la reflexión. Para enunciarlas, haremos uso de los conceptos de rayo incidente, normal, rayo reflejado, ángulo de incidencia y ángulo de reflexión.

El rayo incidente es un rayo luminoso que se dirige hacia la superficie reflectora.

La normal es una línea perpendicular a la superficie reflectora trazada en el punto en que ésta es intersectada por el rayo incidente (punto de incidencia).

El rayo reflejado es el rayo que emerge de la superficie reflectora.

Los ángulos de incidencia y de reflexión son los formados por el rayo incidente y el reflejado con la normal.

En la figura 2.1.1 se consigna un diagrama que aclara estas ideas.

Ahora resulta sencillo enunciar las leyes de la reflexión.

1. El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en el mismo plano.

2. El ángulo que forma el rayo incidente con la normal (ángulo de incidencia) es igual al ángulo que forma el rayo reflejado con la normal (ángulo de reflexión).

En la fig. 2.1.1 aparecen estos dos ángulos designados con las letras i y r, respectivamente.

Figura 2.1.1 Esquema de la reflexión de un rayo luminoso.

Espejos planos.- se denomina espejo plano a una superficie reflectora que forma imágenes y está contenida en un plano. Determinaremos la posición de la imagen de un punto en un espejo plano.

Supongamos que una fuente puntual esta emitiendo rayos luminosos en todas direcciones y que parte de éstos se reflejan en un espejo plano. Usando las leyes de la reflexión se podría seguir la trayectoria de gran cantidad de rayos luminosos; en rigor, podríamos seguir la trayectoria de todos los rayos luminosos, pero, siendo infinitos en número, esto resulta imposible. Interesa saber si nuestro espejo forma una imagen, es decir. Si los rayos que salen de un punto luminoso convergen después de reflejados a un solo punto, para ello basta con seguir la trayectoria de dos rayos como los dibujados en la figura. 2.1.2.

Figura 2.1.2 Imagen de un punto formada en un espejo plano.

Para encontrar la imagen de un objeto en un espejo plano podemos seguir el mismo camino y encontrar la imagen de cada uno de los puntos del objeto considerándolos como fuentes puntuales. Siguiendo las ideas del párrafo anterior, consideremos un objeto como una flecha y determinaremos la posición del mismo calculando la posición de sus puntos extremos P y Q. El esquema de la fig. 2.1.3 nos muestra la marcha de dos rayos luminosos provenientes de los puntos P y Q, respectivamente. En rigor, deberíamos dibujar por lo menos dos rayos luminosos provenientes de cada punto; pero, como el problema ya ha sido resuelto, localizamos el punto simétrico de P. que es P’, el simétrico de Q, que es Q’, y estamos en condiciones de trazar la imagen.

Figura 2.1.3 Imagen de un objeto en un espejo plano.

Espejos curvos.- Cuando una superficie especular no puede estar contenida en un plano se denomina espejo curvo. El estudio de la formación de imágenes en espejos curvos es más laborioso. Sin embargo, debe tenerse presente que el fenómeno que interviene en este caso sigue siendo el de la reflexión y sus leyes se cumplen en todo momento.

Por razones de producción y de costos, la mayoría de las superficies especulares curvas con que se trabajan son esféricas. Por este motivo, la teoría que vamos a exponer se refiere a este tipo de superficies. Estos espejos se llaman espejos esféricos. Un espejo esférico puede ser cóncavo o convexo, según cual sea la cara reflectante.

En la Figura. 2.1.4 (A) está representado un espejo convexo. Conviene imaginar un espejo convexo como un casquete de esfera metálica muy pulida o de vidrio, plateado en su interior. El punto C es el centro de la esfera de la cual se ha obtenido el espejo; el punto F está a una distancia. R/2 del centro de la esfera y O es el punto donde se intercepta el espejo en el eje principal. En lo sucesivo llamaremos a C centro geométrico, a F foco y a O centro óptico del espejo.

Figura 2.1.4 Formación de Imagen en espejos: (A) Convexo; (B) Cóncavo.

Las leyes de la refracción

La velocidad v, que lleva la luz al atravesar un medio material (aire, agua…) es característica de dicho medio y es siempre inferior a la velocidad en el vacío c. Cuando la luz pasa de un medio de propagación a otro sufre una desviación, a esa desviación se le llama refracción.

Cuando en unmedio la velocidad de propagación de la luz es menor, se dice que es más refringente; así, la refringencia está ligada a la velocidad de propagación de la luz. En ciertos casos se habla de densidad óptica del medio; naturalmente, en un medio más refringente la densidad óptica es mayor.

La fig.2.1.5 representa un rayo luminoso incidiendo de un medio (1) menos refringente a uno (2) de mayor refringencia. En estos casos siempre unafracción del rayo incidente es reflejada. Se puede observar cómo el rayo incidente al pasar al medio (2), se acerca a la normal.

Ahora podemos enunciar las llamadas leyes de la refracción:

1. El rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en el mismo plano.

2. El seno del ángulo de incidencia dividido por el seno del ángulo de refracción es una constante para cada medio y se llama índice de refracción.

Figura 2.1.5 Las leyes de la refracción: (I) Angulo de incidencia;

(R) Angulo de refracción.

Reflexión total.

Como se ha dicho, la luz, al pasar de un medio

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