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Propagación de la luz

Te invitamos a conocer o repasar la materia acerca de la propagación de la luz. En este recurso encontrarás, entre otras cosas, información acerca de la rapidez y fenómenos de la luz.

Propagación de la luz

De todos los fenómenos físicos, los relacionados con la luz posiblemente sean los más fascinantes e intrigantes. Las preguntas ¿qué es la luz?, ¿cómo es posible la visión?, ¿qué son los colores?, ¿cómo se forman los arco iris?, etc. han preocupado al ser humano desde siempre, siendo la historia de los esfuerzos por responderlas un aspecto central de las ciencias físicas.
El estudio de la luz, denominado óptica, normalmente se divide en dos secciones: Propagación de la luz, en que se abordar la óptica sobre la base de la noción de rayo de luz (razón por la cual se denomina óptica geométrica) y Naturaleza de la luz, en el que se estudia la óptica considerando la luz como un fenómeno ondulatorio (en este caso hablaremos de óptica física).

A) La rapidez de la luz

Según las referencias históricas, quien primero intentó medir la rapidez de la luz fue Galileo Galilei (1564-1642) haciendo señales con una lámpara a otra persona situada a una distancia conocida. Si bien el método empleado por Galileo no era incorrecto, la gran rapidez con que viaja la luz, hacía impracticable el experimento.

El primero en medir esta rapidez, en 1675, fue el astrónomo danés el Olaf Römer (1644 – 1710) a través de la observación de los satélites de Júpiter. Ellos giran alrededor de este planeta demorando cierto tiempo en completar una órbita. Cuando el planeta se encuentra más alejado de la Tierra, el movimiento de sus satélites parece retrasarse debido a que la luz que proviene de ellos demora más tiempo en recorrer una distancia mayor. La precisión obtenida con este método no fue muy buena, pero tuvo el mérito de probar que la luz no se propagaba de forma instantánea.

En 1849, Hippolyte Fizeau (1819 – 1896) mide la velocidad de la luz dentro de un laboratorio. Su método consistió en interceptar un rayo de luz reflejado en un espejo con los dientes de una rueda giratoria. El resultado de las mediciones indicaba que la luz tendría una rapidez de 313.274 km/s en el aire. Años más tarde, en 1880, el físico estadounidense Albert Michelson (1852-1931) logra mayor exactitud con una técnica similar. Su método consiste en hacer girar con la rapidez exacta un sistema de espejos en el que se refleja un rayo de luz. Hoy se define la rapidez de la luz, en el vacío, como 299.792.456 m/s y se la designa con la letra “c”. Para efectos de cálculo, a menos que se indique algo diferente, empleamos la aproximación c = 3 x 108 m/s. Del mismo modo, aunque en el aire esta velocidad es levemente menro, también se emplea el mismo valor que par el vacío.

B) Los fenómenos de luz y sombra

Solamente mirando el borde de un objeto, como el marco de una puerta o una regla, sabemos si éste se ajusta o no a una recta. ¿Por qué? Porque intuitivamente partimos del hecho de que la luz se propaga en línea recta. Otra evidencia de su propagación rectilínea surge del análisis de las sombras. Si un punto P emite luz, una esfera opaca Q producirá en una pantalla o telón una sombra circular, tal como se ilustra en la figura.

 

Ejemplo fenómeno de luz y sombra

Por otra parte, una mitad de la esfera estará iluminada y la otra estará sumida en la oscuridad. Si la fuente no es puntual, como se aprecia en la figura, veremos además una zona de penumbra.

Estos fenómenos de luz, sombra y penumbra son bastante habituales en la vida diaria, pero donde resultan espectaculares es en el ámbito astronómico, particularmente en el caso de los eclipses. En efecto, el día y la noche, las fases de la Luna y los eclipses de Sol y de Luna son fenómenos de luz y sombra. Las siguientes figuras ilustran estos fenómenos.

Fases Lunares

Las diferentes fases lunares para un observador en la Tierra, corresponden a la forma en que este satélite es iluminado por el Sol,

Fase Lunar


Eclipses


En la figura se observa como la luna proyecta su sombra sobre la Tierra,  generando un eclipse de Sol.

Diagrama fases de la Luna

Diagrama de eclipse

Cuando la Tierra proyecta su sombra sobre la Luna, oscureciéndola, estamos frente a un eclipse lunar.

Diagrama fases de la Luna

Otro hecho que pone en evidencia la propagación rectilínea de la luz es la cámara oscura. Como es muy fácil de hacer, se recomienda que la construyas y realices algunas observaciones y experimentos con ella. Como se ilustra en la figura, basta una caja de cartón y un pedazo de papel diamante.

Diagrama cámara oscura

Diagrama cámara oscura

Bajo el mismo principio de la cámara oscura funcionan el ojo y la cámara fotográfica. Las principales partes del ojo humano se ilustran en la siguiente figura.

Esquema ojo humano

C) La reflexión de la luz y los espejos

La luz se refleja prácticamente en todas las superficies a las que llega. Gracias a este fenómeno es que podemos ver la mayoría de las cosas que nos rodean: los árboles, las montañas, los muebles y las personas. Sin embargo, no todos los objetos reflejan la luz de la misma forma. Algunos la reflejan más ordenadamente que otros. En la siguiente figura el caso (a) ilustra la reflexión especular y el (b) la reflexión difusa.

Esquema reflexión especular y reflexión difusa

La reflexión especular, es la reflexión que asociamos a los espejos o a superficies muy lisas, como una placa metálica, una madera muy pulida o la superficie del agua en reposo. Cuando la luz se refleja especularmente, se desvía en una sola dirección y casi sin pérdidas de energía, ya que un espejo refleja prácticamente toda la luz que incide sobre él. Aunque cuando hablamos de reflexión casi siempre pensamos en los espejos, es importante recordar que todos los cuerpos que vemos reflejan la luz. En efecto, podemos ver a los cuerpos que nos rodean debido a la reflexión difusa.

La reflexión difusa es la que experimenta la luz cuando incide sobre un cuerpo cuya superficie no es lisa o pulida, sino que más bien irregular. Esto es lo que ocurre por ejemplo cuando miramos una flor. Este cuerpo podemos verlo debido a que la luz que incide sobre él se refleja en todas direcciones, con diferentes colores.

Ley de la Reflexión

La reflexión especular se rige por una sencilla ley, cuya formulación incluso, es bastante intuitiva. En efecto, tal como muestra la figura; si hacemos incidir un rayo de luz en un punto de una superficie reflectora, tendremos un rayo reflejado. Si trazamos en el punto de incidencia (donde llega el rayo incidente) una línea imaginaria perpendicular a la superficie reflectora, podremos apreciar que siempre se cumple que el ángulo de incidencia (formado por el rayo incidente y la normal) y el ángulo de reflexión (formado por el rayo reflejado y la normal) son de igual medida. 

Experimento para ley de reflexión

Es decir, los ángulos de incidencia ( angulo  i) y de reflexión ( angulo  r), medidos respecto de la línea normal, son de iguales angulo    i  angulo  r

Es importante notar que esta ley se cumple también en la reflexión difusa.

Imágenes en espejos planos

Nos resulta muy natural ver imágenes en espejos planos, como cuando nos peinamos frente a un espejo o miramos el reflejo de un paisaje de un lago. Pero ¿cómo se explica lo que vemos?, ¿qué caracteriza a esas imágenes? Cada vez que nos formulemos preguntas como estas, las respuestas las encontraremos en la ley de reflexión.

¿Cómo se forman las imágenes que vemos en un espejo plano?
Supongamos que una persona pone una flor frente al espejo, tal como ilustra la figura.
Como muestra la figura. Al poner su ojo en la posición indicada, los rayos de luz que provienen de la flor real, serán reflejados por la superficie del espejo y llegarán al ojo humano, sin embargo, nuestro ojo no es capaz de percibir de dónde vienen los rayos de luz, sino que siempre los percibe como si vinieran en línea recta hacia él, es decir, el ojo percibirá como si viniesen del otro lado del espejo. Esto hace que el ojo capte la imagen del objeto en la posición que indica la figura. A esta imagen, que sólo capta el ojo, se le denomina imagen virtual; porque en definitiva, se trata de una especie de ilusión óptica.

ojo

(Imagen de www.teleformacion.edu.aytolacoruna.es)

La siguiente figura ilustra cómo se forma en un espejo plano la imagen (I) de una persona que se pone enfrente de él. 

Imagen es espejo plano

Este tipo de imagen se denomina virtual, puesto que sólo la capta nuestro ojo. En efecto, esta imagen está formada la “proyección” que nuestro ojo hace de los rayos reales.

En contraposición existen imagenes a las que denominaremos reales, por estar conformadas por rayos de luz, y por lo tanto pueden proyectarse sobre una superficie o pantalla. Estas son las que se forman, por ejemplo, en el papel diamante de la cámara oscura o en un telón al proyectar una diapositiva. Otras características importantes de las imágenes que se producen en los espejos planos son: a) la distancia ente el objeto O y el espejo es igual a la distancia entre la imagen I y el espejo; b) el tamaño de la imagen es igual al tamaño del objeto; y c) la posición de la imagen es derecha en relación con el objeto; es decir, si la cabeza de la persona está arriba, la cabeza de la imagen también está arriba. No obstante, si la persona cierra el ojo derecho ¿qué ojo cierra la imagen? Comprueba estos hechos.

Imágenes en espejos curvos

El tipo de espejo curvo más importante es el parabólico. Esta es la forma que apreciamos en muchas antenas de radio, televisión y radiotelescopios, lo que no es un hecho casual.

Los espejos parabólicos pueden ser cóncavos o convexos. En ellos hay que reconocer un eje de simetría o eje óptico, un vértice (V) y un foco (F), los cuales se ilustran en los esquemas de la siguiente figura.

 

Esquema elementos de los espejos parabólicos

Si a estos espejos se envía un haz de rayos de luz paralelos al eje óptico, en el espejo cóncavo (figura a) se reflejan de modo que convergen a un punto, el cual corresponde a un foco real (F). En el caso del espejo convexo (figura b), divergen como si procedieran de un punto que está detrás del espejo y por el cual no pasan los rayos de luz, razón por la cual se denomina foco virtual (F). La distancia entre el vértice y el foco es la distancia focal y la designaremos f.

Las siguientes figuras ilustran el trazado de rayos que explica la formación de las imágenes en dos casos particulares. ¿Qué pasa con la imagen de la flecha si el objeto se aproxima al espejo?

Trazado de rayos para la formación de imágenes

Trazado de rayos para la formación de imágenes

D) La refracción y las lentes

D.1. Refracción en superficies planas

La refracción de la luz se produce simplemente cuando la luz cambia de medio de propagación, es decir, se transmite desde un medio a otro. Esto es lo que ocurre por ejemplo, cuando la luz pasa desde el aire hacia el agua, o bien desde el espacio exterior (casi vacío) hacia el aire atmosférico.
Dependiendo de la dirección con que la luz incida sobre la superficie de un medio, la refracción puede generar además una desviación o cambio de dirección del rayo de luz.

Por ejemplo, si la luz al cambiar de medio incide sobre el segundo medio de propagación de manera perpendicular a su superficie, hay refracción pero sin cambio de dirección.
Sin embargo cuando la luz incide sobre el segundo medio de manera oblicua, se desvía tal como muestra la figura.

desviación

El cambio de medio o refracción implica un cambio de rapidez y al mismo tiempo un cambio de longitud de onda, por tanto,
En estos casos pude cambiar el color de la luz, ya que tal como veremos más adelante, en un modelo ondulatorio de la luz, el color de ésta está asociado a su longitud de onda.

¿De qué factores depende la desviación que experimenta la luz en su refracción?
Supongamos que un rayo de luz se propaga por un medio en el que viaja con una velocidad V1 y en cierto instante incide sobre otro de manera oblicua. Si trazamos una línea normal en el punto de incidencia (perpendicular a la superficie de contacto entre ambos medios), llamaremos a1 al ángulo de incidencia (formado por el rayo incidente y la normal) y a2 al ángulo de refracción (formado por el rayo refractado y la normal). Si llamamos V2 a la velocidad de la luz en el segundo medio de propagación, tenemos que:

figura

Cuando el rayo de luz se refracta hacia un medio de mayor velocidad, se desvía alejándose de la normal.
Cuando el rayo de luz se refracta hacia un medio de menor velocidad, se desvía acercándose a la normal.

Esta es la razón por la cual un lápiz sumergido en un vaso con agua pareciera estar quebrado o el fondo de un recipiente con agua lo vemos más arriba de su posición real.
Es fácil constatar que la refracción va siempre acompañada de una reflexión. En efecto, debes haber notado que el vidrio de una ventana se comporta como un espejo si en la habitación en que te encuentras hay mucha luz y afuera está muy oscuro. Si en estas condiciones aproximas un objeto, por ejemplo un dedo, a unos milímetros del vidrio y observas cuidadosamente, con seguridad verás dos o más imágenes de él.
Otro hecho curioso que se desprende del análisis de la figura anterior, es que cuando miramos a través del vidrio de una ventana, los objetos que vemos no están exactamente allí donde los vemos. Lo mismo ocurre con los astros. Tampoco su luz procede exactamente de donde parece venir, pues, como lo ilustra la siguiente figura, la luz de una estrella se refracta al ingresar a la atmósfera terrestre.

Ejemplo reafracción en astros

 

Además, como en la atmósfera hay turbulencias, la densidad del aire varía permanentemente, haciendo cambiar la dirección en que llegan los rayos de luz, con lo cual las estrellas parecen estar cambiando de posición. Este efecto se conoce como titilación.

D.2. La reflexión total interna

Lo más sorprendente de la refracción es que, en algunos casos, aun cuando un rayo de luz que viaja por un medio incida sobre una superficie de otro medio transparente, no pasa a él; es decir, no se refracta. Lo que hace en este caso es reflejarse como en el mejor de los espejos. Este fenómeno se denomina reflexión total interna y con seguridad lo has notado. Las siguientes figuras muestran algunos experimentos que ponen en evidencia este fenómeno.

 

Ejemplo reflexión total interna

Es importante comprender que esta reflexión total interna se produce solamente cuando el ángulo de incidencia supera cierto valor, conocido como ángulo límite, el cual depende de los medios. Por ejemplo, cuando los medios son vidrio y aire, este ángulo es de unos 42º (dependiendo principalmente del tipo de vidrio), y cuando es agua y aire, es de unos 48º.

Debido a la gran calidad de la reflexión que se produce, este fenómeno tiene muchas aplicaciones técnicas: los prismáticos poseen juegos de prismas. ¿Cuál es su utilidad allí? Investiga qué otros instrumentos ópticos también los poseen.

Sin embargo, la aplicación de mayor impacto es la fibra óptica. Ella se emplea hoy en día principalmente en comunicaciones, presentando grandes ventajas en esta materia. Se trata de delgadísimos “conductores de luz” de solo unas centésimas de milímetro de diámetro y de centenares de metros de longitud. Como lo ilustra la siguiente figura, la luz que ingresa por uno de los extremos de la fibra sale por el otro y no por sus paredes, pues en ellas se produce reflexión total interna.

 

Ejemplo reflexión total interna en fibra óptica

Además, gracias a instrumentos construidos con fibras ópticas, los médicos pueden examinar los órganos internos de sus pacientes mediante una técnica que no resulta invasiva.

D.3. Las lentes

Examinaremos ahora lo que ocurre en las lentes. . Las lentes son dispositivos ópticos que permiten refractar la luz de manera regular, de acuerdo a ciertas reglas. En la siguiente figura se ha representado una lente y algunos de los elementos que nos interesan para comprender lo que ocurre en ellas: su eje óptico, el plano de la lente, sus focos (F) y su distancia focal (f).

 

Elementos de las lentes

Las superficies de las lentes pueden poseer distintas formas dando origen a distintos tipos de lentes, según lo indican los cortes (o perfiles) que se ilustran en la siguiente figura.

Tipos de superficies en lentes

Lentes convergentes y divergentes

Aquellas lentes que poseen mayor espesor en el centro que en los bordes se denominan lentes convergentes y lentes divergentes aquellas en que ocurre lo contrario.

La siguiente figura muestra la diferencia fundamental entre estos dos tipos de lentes. En las convergentes, rayos de luz que llegan a ellas paralelos al eje óptico, convergen hacia el foco que está del otro lado de la lente. En las divergentes en tanto, divergen como si vinieran del foco que está del mismo lado.

 

Esquema rayos según tipo de lente

Las siguientes figuras muestran el trazado de rayos que explica la formación de imágenes (I) para diferentes objetos.

Ejemplo trazado de rayos para formación de imágenes

Ejemplo trazado de rayos para formación de imágenes

Ejemplo trazado de rayos para formación de imágenes

D.4. Sistemas ópticos

Con dos o más lentes o con combinaciones de lentes, espejos y prismas, se pueden producir los efectos ópticos de mayor interés. Casos particularmente importantes son los del telescopio y del microscopio.

El primer telescopio, inventado por Galileo, es un sistema óptico muy simple formado por dos lentes: una convergente, donde llega la luz de los astros, denominada objetivo, y otra divergente, por donde se mira con el ojo, denominada ocular.

Otro telescopio de gran importancia posee dos lentes convergentes. Se diferencia del anterior porque produce imágenes invertidas, lo cual en astronomía carece de importancia. El trazado de rayos explica su funcionamiento a continuación.

Trazado de rayos

Los dos telescopios descritos hasta aquí se denominan refractores. El telescopio inventado por Newton es de tipo reflector y el trazado de rayos de la figura siguiente explica su funcionamiento. 

Trazado de rayos en telescopio

D.5. La óptica del ojo

Antes describimos la estructura del ojo y explicamos que el cristalino corresponde a una lente convergente y que en la retina se forma una imagen real e invertida de las cosas que vemos. Es importante darse cuenta de que podemos ver cosas distantes y cercanas. Las más cercanas las podemos enfocar bien cuando se hallan a poco más de 15 centímetros y las más lejanas a varios cientos de metros, dependiendo de las condiciones de visibilidad del aire. Esto significa que, para que la imagen quede correctamente enfocada en la retina, el cristalino debe cambiar su distancia focal. Ello lo consigue cambiando su curvatura por medio de los ligamientos. Como se indica en la siguiente figura, si lo que miramos está cerca, el cristalino reduce su distancia focal haciéndose más grueso en el centro (a) y a la inversa si el objeto está lejos (b).

Ejemplos óptica del ojo

Al ojo lo afectan muchas enfermedades, pero las más frecuentes consisten en la dificultad para enfocar correctamente las imágenes en la retina. Un caso es el de la miopía, en que la imagen se forma antes de la retina; y el otro caso es el de la hipermetropía, en que se forma después. Afortunadamente, ambos casos se corrigen muy fácilmente por medio de lentes. En el primer caso basta anteponer al ojo una lente divergente (a) y en el segundo, una lente convergente (b), según se indica en la siguiente figura.

Esquema de ojos con enfermedades visuales

PROPAGACIÓN DE LA LUZ

Ir a la actividad

 

Propagación de la luz

 

La propagación de la luz, así como los fenómenos asociados a ella; constituyen el foco de aprendizaje de este tema. En efecto, se debe poner especial énfasis en la propagación de la luz en diferentes medios así como en la reflexión, refracción e imágenes que se forman a partir de estos fenómenos.

 

Para potenciar y favorecer el aprendizaje de estos contenidos (algo abstractos), se sugiere iniciar las actividades contextualizando y rescatando ideas previas mediante preguntas, cuyas respuestas el docente puede reestructurar y sintetizar, modificando así algunos preconceptos. Por ejemplo:

 

Preguntas

Posibles respuestas

Síntesis

¿Qué es la luz?

Lo que se ve.

Lo que nos permite ver.

Una forma de energía.

Una onda electromagnética.

 

La luz es una manifestación de la energía, que se propaga mediante oscilaciones y que estimula la visión humana.

¿Cuál es la naturaleza de la luz?

Es una onda.

Es una corriente de partículas (fotones).

Es onda y partícula a la vez.

La luz tiene naturaleza dual, es decir, se puede comportar como una onda electromagnética o como un corriente de partículas, dependiendo del fenómeno que estemos observando (pero no se comporta de las dos maneras al mismo tiempo).

 

Es importante resaltar que la luz tiene una naturaleza dual (que se estudiará más adelante) y revisar los fenómenos de reflexión, transmisión y absorción de manera análoga a como ocurre con el sonido.

 

En el punto relacionado con la reflexión, es conveniente diferenciar entre reflexión especular y difusa, señalando las características de cada una de ellas y resaltando que la reflexión difusa es la que nos permite ver.

 

Es importante mostrar de manera gráfica el procedimiento de construcción de imágenes en un espejo plano, identificando y diferenciando las imágenes reales y virtuales. Del mismo modo, se sugiere mostrar gráfica y paulatinamente como se reflejan los rayos de luz en los espejos cóncavos y convexos. Recuerde que en función de la PSU, no es necesario que los estudiantes construyan imágenes ni tampoco empleen  la fórmula del constructor de la diferenciación entre ondas lente de Snell.

 

Del mismo modo, para introducir la noción de refracción de la luz, es posible mostrar imágenes como las siguientes:

imagen 

imagen

       

 

 

 

 

 

Junto con esto es posible formular preguntas como:

 

¿Por qué el lápiz se ve “quebrado”?

¿Por qué cuando observamos cuerpos en el interior de un líquido los vemos en una posición diferente a la real?

 

Es necesario destacar al introducir la noción de refracción, que este fenómeno se produce cada vez que la luz cambia de medio, independientemente que se produzca o no la desviación de ésta (esto se produce cuando la luz incide de manera oblicua sobre la superficie del segundo medio de propagación).

 

También en función de la PSU, no es necesario enfatizar la ley de Snell en su formulación estricta:

*                  n1 = Índice de refracción en el material 1.

*                   n2 = Índice de refracción en el material 2.

*                   a = Ángulo de incidencia.

*                   b = Ángulo de refracción.

 

 imagen             imagen        imagen

    

 

 

 


Sino que basta con describir cualitativamente que cuando la luz pasa desde un medio de menor velocidad hacia otro de mayor velocidad, el ángulo de refracción aumenta respecto del de incidencia y viceversa.

 

De manera análoga a los espejos, se sugiere demostrar gráficamente el procedimiento para trazar la forma en que los rayos de luz se desvían al pasar a través de las lentes (convergentes o divergentes).

 

Es conveniente revisar la anatomía del ojo y la visión, a través de una analogía con la cámara fotográfica, evitando extenderse sobre aspectos biológicos (nervio óptico, cerebro).

Información

Técnica

Descripción BreveTe invitamos a conocer o repasar la materia acerca de la propagación de la luz. En este recurso encontrarás, entre otras cosas, información acerca de la rapidez y fenómenos de la luz.
Temas relacionados

>>Video: La refracción de la luz

>>Video: La reflexión de la luz

>>Video: Espejos curvos

IdiomaEspañol (ES)
Autoreducarchile
Fuenteeducarchile
Clasificación Curricular
NivelSectorUnidad o eje
1° medioFísicaLa materia y sus transformaciones

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