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Ondas y Calor

Unidad V

ÓPTICA

Figura 1. Arcoíris primario y secundario formados por refracción y reflexión de la luz en gotas
de agua sobre la playa Ka’anapali en Maui, Hawai. (Westfall, 2011)

1.

LA NATURALEZA DE LA LUZ
Hasta el tiempo de Isaac Newton, la mayoría de los científicos pensaban que la
luz consistía en corrientes de partículas emitidas por las fuentesde luz. En 1873
James Clerk Maxwell predijo la existencia de las ondas electromagnéticas y
calculó su rapidez de propagación, demostró de manera concluyente que la luz
es en efecto una onda electromagnética.
En vista de los resultados, se debe considerar a la luz con una naturaleza dual.
Esto es, en ocasiones la luz actúa como una onda y en otras actúa como una
partícula. La propagación de laluz se describe mejor mediante un modelo
ondulatorio, pero para comprender la emisión y la absorción se requiere un
planteamiento corpuscular (partícula).

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Un gran número de evidencias sugiere que la luz viaja en línea recta en una
amplia variedad de circunstancias. Por ejemplo una fuente puntual de luz como
el Sol define distintas sombras; y el haz deuna luz de destello aparece como una
línea recta. Es razonable la suposición del modelo de rayos de luz. Las
trayectorias rectilíneas que sigue la luz se llaman rayos luminosos.
La óptica es la parte de la física que trata de las propiedades de la luz y de los
fenómenos de la visión:
 La manera como es emitida por los cuerpos luminosos.
 La forma en la que se propaga a través de los mediostransparentes.
 La forma en que es absorbida por otros cuerpos.
La luz visible tiene una longitud de onda λ entre 400-700 nm. Si los objetos
tienen un tamaño comparable con λ va a haber efectos de difracción e
interferencia (óptica física).
Para objetos grandes >> λ los efectos ondulatorios se pueden despreciar: la luz
viaja como un chorro (óptica geométrica). La óptica geométrica esválida para el
estudio de espejos, lentes, prismas y otros instrumentos ópticos.
El rayo es una línea recta perpendicular a los frentes de onda. Entonces la onda
se desplaza en línea recta en dirección de sus rayos.

Figura 2. Frentes de onda (en color azul) y rayos (púrpura). (YOUNG, 2009)

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Figura 3. a) Una onda plana es en parte reflejada y en parterefractada en la frontera
entre dos medios (en este caso, aire y vidrio). La luz que alcanza el interior de la
cafetería es refractada dos veces, una cuando entra al vidrio y otra al salir de éste. b) y
c) ¿Cómo se comporta la luz en la interfaz entre el aire afuera de la cafetería (material
a) y el vidrio (material b)? Para el caso que se ilustra, el material b tiene un índice de
refracción mayorque el del material a (nb > na) y el ángulo b es más pequeño que a.
(YOUNG, 2009)

Cuando un haz incide en una interfase se observa experimentalmente que una
parte se refleja y la otra se transmite (refracta).
2.

REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN
Reflexión de la Luz
Cuando la luz incide sobre la superficie de un objeto, una parte de la luz se
refleja. El resto la absorbe el material objeto (y setransforma en calor) o bien, si
el objeto es transparente como el vidrio y el agua, parte de ella se transmite a
través de él. Para un objeto muy brillante como un espejo plateado, más del
95% de la luz puede reflejarse.
Cuando un haz estrecho de luz incide sobre una superficie plana definimos el
ángulo de incidencia i, como el ángulo que un rayo incidente forma con la
normal a lasuperficie y el ángulo de reflexión, r, como el ángulo que el rayo
reflejado forma con la normal. Para el caso de superficies planas, se ha
encontrado que los rayos incidentes y reflejados yacen en el mismo plano con la
normal a la superficie y que:
El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión (ley de reflexión).

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Figura 4. Diagrama de rayos para...