Trabajo Optica

ESQUEMA:

- Introducción.

1.- Óptica

1.1.- Índice de refracción

1.2.- La naturaleza ondulatoria de la luz

1.3.- Reflexión total interna

1.4.- Reflexión en una superficie esférica

1.5.- Refracción en una superficie esférica

1.6.- Refracción, ley de Snell

1.7.- Experimentos de Young

1.8.- Lentes delgados

2.- Interferencia

2.1.- Interferencia y fuentes coherentes

2.2.- Interferencia constructiva

2.3.- Interferencia destructiva

2.4.- Interferencia de la luz procedente de dos fuentes

2.5.- Diagrama de interferencia de dos rendijas

2.6.- Interferencia con muchas rendijas

2.7.- Interferencia en películas delgadas

2.8.- El interferómetro de Michelson

3.- Difracción

3.1.- Difracción de Fresnel y Fraunhofer

3.2.- Difracción desde una sola ranura

3.3.- Difracción por una rendija

3.4.- Difracción por una abertura circular

3.5.- Rejilla de difracción

3.6.- Difracción de rayos x

3.7.- Aberturas circulares y poder de resolución

3.8.- Holografía

4.- Relatividad

4.1.- El principio de relatividad de Einstein.

4.2.- Energía relativa.

4.3.- Equivalencia de masa y energía.

4.4.- Relatividad y electromagnetismo.

4.5.- Relatividad de la simultaneidad

4.6.- Relatividad de los intervalos de tiempo

4.7.- Fotones

4.8.- Ondas

- Conclusión.

- Bibliografía.

1.- Óptica:

Es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones. Abarca el estudio de la reflexión, la refracción, las interferencias, la difracción, la formación de imágenes y la interacción de la luz con la materia. Estudia la luz, es decir cómo se comporta la luz ante la materia.

1.1.- Índice de refracción:

El índice de refracción de un material óptico (también llamado índice refractivo), representado con n, es central en la óptica geométrica. Es el cociente de la rapidez de la luz c en el vacio entre la rapidez v en el material:

n=c/v (Índice de refracción).

La luz siempre se desplaza con más lentitud en un material que en el vacío, de modo que el valor de n en cualquier material que no sea el vacio siempre es mayor que la unidad. Para el vacio, n=1. Puesto que n es un cociente de dos rapideces, es un número sin unidades.

El índice de refracción no solo depende de la sustancia, sino también de la longitud de onda de la luz. A esa dependencia de la longitud de onda se le llama dispersión.

En la imagen se muestra la refracción de la luz en la interfaz entre dos medios con diferentes índices de refracción (n2 > n1). Como la velocidad de fase es menor en el segundo medio (v2 < v1), el ángulo de refracción θ2 es menor que el ángulo de incidencia θ1; esto es, el rayo en el medio de índice mayor es cercano al vector normal.

1.2.- La naturaleza ondulatoria de la luz:

Hasta el tiempo de Isaac Newton (1642-1727), la mayoría de los científicos pensaban que la luz consistía en corrientes de partículas (conocidas como corpúsculos) emitidas por las fuentes de luz. Galileo y otros intentaron (infructuosamente) medir la rapidez de la luz. Hacia 1665, se empezaron a descubrir pruebas de las propiedades ondulatorias de la luz. Para principios del siglo XIX, ya era muy evidente que la luz es una onda.

En 1873, James Clerk Maxwell predijo la existencia de las ondas electromagnéticas y calculo su rapidez de propagación. Este desarrollo, junto con el trabajo experimental de Heinrich Hertz, iniciado en 1887, de mostro de manera concluyente que la luz es en efecto una onda electromagnética.

Sin embargo, la naturaleza ondulatoria de la luz no es todo. Varios efectos asociados con la emisión y la absorción de luz revelan que esta tiene un aspecto corpuscular, según el cual la energía transportada por las ondas luminosas esta empaquetada en paquetes discretos conocidos como fotones o cuantos. Estas propiedades ondulatorias y corpusculares aparentemente contradictorias han sido reconciliadas desde 1930 con el desarrollo de la electrodinámica cuántica, una teoría que incluye ambas propiedades, ondulatorias y corpusculares. La propagación de la luz se describe mejor mediante un modelo ondulatorio, pero para comprender la emisión y la absorción se requiere un planteamiento corpuscular.

Las fuentes fundamentales de toda radiación electromagnética son cargas aceleradas. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética por el movimiento térmico de sus moléculas; esta radiación térmica es una mezcla de diferentes longitudes de ondas. A temperaturas lo suficientemente elevadas, toda la materia emita la suficiente luz visible para ser autoluminosa; un cuerpo muy caliente se pone al “rojo vivo” o incandescente. Por tanto, la materia caliente en cualquier forma es una fuente de luz. Ejemplos conocidos son la llama de la vela, las brasas de una hoguera, las bobinas de un calefactor y el filamento de una lámpara (que suele operar a unos 3000°C).

La luz también se produce durante las descargas eléctricas a través de gases ionizados. Nos son familiares la luz azulada de las lámparas de arco de mercurio, la amarillo-naranja de las lámparas de vapor de sodio y los diferentes colores de los letreros de neón. Una variación de la lámpara de arco de mercurio es la lámpara fluorescente. Esta fuente de la luz utiliza un material conocido como fosforo para convertir la radiación ultravioleta de un arco de mercurio en luz visible. Esta conversión hace que las lámparas fluorescentes sean más eficientes que las incandescentes para convertir energía eléctrica en luz.

Una fuente de luz que ha adquirido importancia en los últimos treinta años es el laser. En la mayoría de las fuentes de luz, esta es emitida de manera independientemente por los diferentes átomos de la fuente; en un laser se induce a los átomos a emitir luz de manera cooperativa y coherente. El resultado es un haz muy delgado de radiación que puede ser intenso, y que se aproxima mucho más a un haz muy delgado de radiación que puede ser intenso, y que se aproxima mucho más a un haz monocromático o de una sola frecuencia que la luz de cualquier otra fuente. Los láseres son utilizados por los médicos cirujanos para hacer microcirugía; en los reproductores de CD y en los computadores para leer la información codificada en un CD o en un CD-ROM; en la industria para cortar acero y fundir material de alto punto de fusión; y en muchas otras aplicaciones.

Sin importar su fuente, la radiación electromagnética se desplaza en el vacio con la rapidez de la luz. La primera medición aproximada de la rapidez de la luz fue hecha en 1676 por el astrónomo danés Olaf Roemer, a partir de las observaciones del movimiento de uno de los satélites de Júpiter. La primera medición terrestre fue realizada por el científico francés Armand Fizeau en 1849, utilizando un haz de luz reflejado interrumpido por un disco giratorio con muescas. En el siglo XIX Jean Foucault, en Francia, y Albert A. Michelson, en Estados Unidos, refinaron este experimento.

Del análisis de todas las mediciones hechas hasta 1983, el valor más probable de la rapidez de la luz en ese momento era c = 2.99792458x108 m/s.

Ondas, frentes de onda y rayos.

Definimos la fuente de onda como el lugar geométrico de todos los puntos adyacentes en los cuales la fase de vibración de una cantidad física asociada con la onda es la misma. Es decir, en cualquier instante, todos los puntos de un frente de onda están en la misma parte del ciclo de variación.

Cuando dejamos caer un guijarro en un estanque, los círculos que se expande, formados por las crestas de la onda, así como los formados por los valles entre las crestas, son frentes de ondas. Así mismo, cuando las ondas sonoras se expanden en aire tranquilo desde una fuente puntual, o cuando la radiación electromagnética se expande desde un emisor puntual, cualquier superficie esférica concéntrica con la fuente es un frente de onda. En los diagramas del movimiento ondulatorio dibujamos solo cierta parte de unos cuantos frentes de onda, a menudo escogiendo frentes consecutivos que tienen la misma fase y, por tanto, estan separados una longitud de onda, como las crestas de una onda en la superficie del agua. Similarmente, un diagrama de ondas sonoras podría mostrar solo “crestas de presión”, las superficies de presión máxima; y un diagrama de ondas electromagnéticas podría mostrar solo las “crestas” sobre las cuales el campo eléctrico o el magnético son máximos.

Para describir la dirección en la cual se propaga la luz, a menudo conviene representar una onda de luz con rayos, en vez de frentes de onda. Los rayos se utilizaron para describir la luz mucho antes de establecerse su naturaleza ondulatoria. Desde el punto de vista ondulatorio, un rayo es una línea imaginaria a lo largo de la dirección de desplazamiento de la onda. En la figura a, los rayos son los radios de los frentes de onda esféricos, y en la figura b son rectas perpendiculares a las frentes de onda. Cuando las ondas se desplazan en un material homogéneo e isotrópico (con las mismas propiedades en todas las regiones y en todas las direcciones), los rayos son siempre rectas normales a los frentes

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