Rayo Luminoso 4n2x3f

Rayo luminoso

Las líneas rectilíneas representan los rayos luminosos, como vemos en la ilustración se reflejan y refractan en la fina película de una pompa de jabón. El rayo luminoso es la línea imaginaria que representa la dirección por la que la luz se propaga. La utilización de este modelo, ampliamente divulgado en óptica geométrica, simplifica los cálculos debido al principio de propagación en línea recta de la luz en medios homogéneos e isótropos, como lo son el aire o el agua. En óptica física, el rayo luminoso es la trayectoria que teóricamente recorre la energía luminosa. En la teoría corpuscular de la luz, el rayo luminoso representa la trayectoria de los fotones, perdiendo todo significado cuando los efectos de la mecánica cuántica comienzan a apreciarse.

Rayos luminosos que se encuentran con una superficie rugosa, dispersándose en todas direcciones. Cabe aclarar que el concepto de rayo luminoso pierde su utilidad cuando los fenómenos de difracción empiezan a tomar un papel relevante; por ejemplo, cuando un haz de luz pasa a través de una abertura de anchura comparable a la longitud de onda del propio haz.

Onda luminosa. La onda luminosa se encuentra representada en cada punto de su esfera de emisión, por un plano perpendicular a la dirección de propagación. En este plano se encuentran dos vectores oscilantes perpendiculares entre sí, uno eléctrico y el otro magnético. Es otras palabras definimos una radiación como la variación periódica en el espacio, en un campo magnético.

Reflexión de la luz y sus leyes Es el cambio de dirección, en el mismo medio, que experimenta un rayo luminoso al incidir oblicuamente sobre una superficie. Para este caso las leyes de la reflexión son las siguientes: 1a. ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal, se encuentran en un mismo plano. 2a. ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Refracción de la Luz Refracción de la luz es el cambio de dirección que experimenta un rayo al pasar de un medio menos refringente a otro más refringente. Una cuchara introducida parcialmente en el agua, se ve quebrada en la parte donde hace o con la superficie del líquido. La refracción de la luz consiste en la desviación de los rayos luminosos cuando ellos pasan de un medio a otro de distinta densidad óptica. Para un observador situado en un medio menos denso, como el aire, un objeto situado en un medio más denso parece estar más cerca de la superficie de separación de lo que está en realidad. Un ejemplo habitual es el de un objeto sumergido, observado desde encima del agua, como se muestra en la figura 3 (sólo se representan rayos oblicuos para ilustrar el fenómeno con más claridad). El rayo DB procedente del punto D del objeto se desvía

alejándose de la normal, hacia el punto A. Por ello, el objeto parece situado en C, donde la línea ABC intersecta una línea perpendicular a la superficie del agua y que pasa por D.

Leyes de la Refracción a al otro medio.

dos.

Primera Ley de la Refracción El rayo incidente, la normal y el rayo refractado pertenecen al mismo plano.

Segunda Ley de la Refracción o Ley de Snell La razón o cociente entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es una constante, llamada índice de refracción, del segundo medio respecto del primero o sea: Sen i = n Sen r

XXXXX Del agua respecto al aire es n = 1.333 Del vidrio respecto del aire es n = 1.5

Ley de Snell

Refracción La ley de Snell es una fórmula utilizada para sacar el ángulo de refracción de la luz al atravesar la superficie de separación entre dos medios de propagación de la luz (o cualquier onda electromagnética) con índice de refracción distinto. El nombre proviene de su descubridor, el matemático holandés Willebrord Snel van Royen (1580-1626). La denominaron "Snell" debido a su apellido pero le pusieron dos "l" por su nombre Willebrord el cual lleva dos "l". La misma afirma que el producto del índice de refracción por el seno del ángulo de incidencia es constante para cualquier rayo de luz incidiendo sobre la superficie separatriz de dos medios. Aunque la ley de Snell fue formulada para explicar los fenómenos de refracción de la luz se puede aplicar a todo tipo de ondas atravesando una superficie de separación entre dos medios en los que la velocidad de propagación de la onda varíe.

Índice de refracción El índice de refracción es una medida que determina la reducción de la velocidad de la luz al propagarse por un medio homogéneo. De forma más precisa, el índice de refracción es el cambio de la fase por unidad de longitud, esto es, el número de onda en el medio ( ) será veces más grande que el número de onda en el vacío ( ).

Índice de refracción Se denomina índice de refracción de un medio al cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad que tiene en el medio (v).

En la ley de Snell tendremos dos índices de refracción uno para cada uno de los medios que el frente de onda atraviesa.

A valor n2-1 se le llama índice de refracción relativo del segundo medio (2), respecto del primero (1). Índices de Refracción (Para l = 589 mm) Agua Alcohol etílico Cuarzo Vidrio Fluorita Etanol Sulfuro de Carbono Poliestireno Diamante Acetona

1,33 1,36 1,54 1,46 - 1,96 1,43 1,36 1,63 1,59 2,42 1,36

La tabla que se adjunta es a título informativo, para que se tenga una idea de los valores del índice de refracción de alguna sustancia.

Definición física El índice de refracción (n) está definido como el cociente de la velocidad (c) de un fenómeno ondulatorio como luz o sonido en el de un medio de referencia respecto a la velocidad de fase (vp) en dicho medio:

Generalmente se utiliza la velocidad de la luz (c) en el vacío como medio de referencia para cualquier materia, aunque durante la historia se han utilizado otras referencias, como la velocidad de la luz en el aire. En el caso de la luz, es igual a:

Donde εr es la permitividad relativa del material, y μr es su permeabilidad electromagnética relativa. Para la mayoría de los materiales, μr es muy cercano a 1 en frecuencias ópticas, es decir, luz visible, por lo tanto, n es aproximadamente

.

Reflexión interna total Es el fenómeno que se produce cuando un rayo de luz, atraviesa un medio de índice de refracción n2 menor que el índice de refracción n1 en el que éste se encuentra, se refracta de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose completamente. Este fenómeno solo se produce para ángulos de incidencia superiores a un cierto valor crítico, θc. Para ángulos mayores la luz deja de atravesar la superficie y es reflejada internamente de manera total. La reflexión interna total solamente ocurre en rayos viajando de un medio de alto índice refractivo hacia medios de menor índice de refracción. La reflexión interna total se utiliza en fibra óptica para conducir la luz a través de la fibra sin pérdidas de energía. En una fibra óptica el material interno tiene un índice de refracción más grande que el material que lo rodea. El ángulo de la incidencia de la luz es crítico para la base y su revestimiento y se produce una reflexión interna total que preserva la energía transportada por la fibra.

En aparatos de óptica se prefiere utilizar la reflexión total en lugar de espejos metalizados. Como ejemplo de utilización de la reflexión total en aparatos corrientes encontramos el pentaprisma de las cámaras fotográficas réflex y los Prisma de Porro o Schmidt-Pechan de los prismáticos. La reflexión interna total es responsable de los destellos de luz que se observan en un diamante tallado.

Ángulo crítico El ángulo crítico o ángulo límite también es el ángulo mínimo de incidencia en el cual se produce la reflexión interna total. El ángulo de incidencia se mide respecto a la normal de la separación de los medios. El ángulo crítico viene dado por:

, donde y son los índices de refracción de los medios con . Esta ecuación es una simple aplicación de la ley de Snell donde el ángulo de refracción es 90°.

Diferencia entre refracción y reflexión.

Dispersión. Sabemos que la mayoría de las ondas no son de una frecuencia única, sino que como el caso de las ondas luminosas en general están formadas por una serie de diversas longitudes de onda superpuestas. La particularidad que tenemos es que todas estas ondas de diferentes longitudes de onda, en el vacío tienen la misma velocidad de propagación, la velocidad de la luz, mientras que en un medio material esto no sucede así, por el contrario, cada longitud de onda tiene su propia velocidad de propagación y por consiguiente el índice de refracción de una sustancia no es único, sino que es función de la longitud de onda que lo atraviesa. En este caso se dice que las diversas sustancias producen dispersión. Si consideramos un frente de onda representado por su rayo correspondiente de luz blanca, que como ya dijimos resulta de la mezcla aditiva de todos las ondas del espectro visible, e incide sobre una superficie de separación de dos medio diferentes, dado que la desviación del frente de onda aumenta al aumentar el índice de refracción de la sustancia, la luz violeta es la más desviada y la luz roja la menos desviada. Ese abanico de colores que se produce a la salida del rayo, es lo que constituye el llamado fenómeno de dispersión de la luz. Si se recoge esa dispersión sobre una pantalla, tendremos el llamado espectro de la luz.

En Óptica Cuando un haz de luz blanca procedente del sol atraviesa un prisma de cristal, las distintas radiaciones monocromáticas son tanto más desviadas por la refracción cuanto menor es su longitud de onda. De esta manera, los rayos rojos son menos desviados que los violáceos y el haz primitivo de luz blanca, así ensanchado por el prisma, se convierte en un espectro electromagnético en el cual las radiaciones coloreadas se hallan expuestas sin solución de continuidad, en el orden de su longitud de onda, que es el de los siete colores ya propuestos por Isaac Newton: violeta, índigo, azul, verde,amarillo, anaranjado y rojo (Así como, en ambos extremos del espectro, el ultravioleta y el infrarrojo, que no son directamente visibles por el ojo humano, pero que impresionan las placas fotográficas

Dispersión de la luz en dos prismas de distinto material.

Ondas acústicas Una onda acústica se caracteriza por su velocidad, su longitud de onda y su amplitud. La velocidad del sonido depende del medio por el que viaje el sonido y de su temperatura, aunque no de la presión. Dado que las ondas acústicas son ondas mecánicas no se pueden propagar en el vacío, donde no hay materia. La velocidad del sonido en el aire es de unos 340 m/s, mientras que en el agua es de 1500 m/s.

La longitud de onda, λ, de un sonido es la distancia entre picos de señal sucesivos y está relacionada con la velocidad del sonido y su frecuencia f mediante la relación

Reflexión y refracción Los fenómenos de la reflexión y la refracción son de los más conocidos y característicos de las ondas. Estos fenómenos se producen cuando la onda encuentra en su camino una separación entre dos medios diferentes. Casos típicos tenemos en la reflexión y refracción del sonido, de ondas en la superficie del agua, etc. La reflexión se produce cuando una onda encuentra una separación entre dos medios y retrocede hacia el mismo medio del cual provenía. La refracción se produce cuando una onda al encontrar una superficie de separación entre dos medios, la atraviesa y se propaga por el segundo medio. Por lo general estos fenómenos se producen simultáneamente es decir parte de la onda se refleja y parte de la misma se refracta.

{ Las líneas en rojo y azul son los rayos, que es una forma de representar la propagación de las ondas, que no son ni más ni menos que líneas dibujadas perpendicularmente a los frente de onda y las flechas indican el sentido de su propagación. La onda que se dirige hacia la superficie de separación entre los planos se llama onda incidente, la onda que rebota hacia el mismo medio, se llama onda reflejada y la onda que atraviesa la superficie de separación de ambos medios pasando al medio 2 se llama onda refractada. En forma experimental se comprueban las siguientes leyes que regulan estos fenómenos. 1) Las direcciones de la onda incidente, reflejada y refractada están en un mismo plano, perpendicular a la superficie de separación y en ella se encuentra la normal. Ángulo de incidencia (i) es el formado por la dirección de propagación de la onda incidente (rayo incidente) con la normal a la superficie de separación de los medios, o lo que es lo mismo el ángulo que forma el frente de onda incidente con la superficie de separación de los medios.. Ángulo de reflexión (r) es el formado por la dirección de propagación de la onda reflejada (rayo reflejado) con la normal a la superficie de separación de los medios, o lo que es lo mismo el ángulo que forma el frente de onda reflejado con la superficie de separación de los medios.. Ángulo de refracción (t) es el formado por la dirección de propagación de la onda refractada (rayo refractado) con la normal a la superficie de separación de los medios, o lo que es lo mismo el ángulo que forma el frente de onda refractado con la superficie de separación de los medios.. 2) Los ángulos de incidencia (i) y de reflexión (r) son iguales. 3) El cociente entre el seno del ángulo de incidencia (i) y el seno del ángulo de refracción (t) es un valor constante que depende de los medios. (Ley de Snell)

Al valor n2-1 se le llama índice de refracción del medio 2 respecto a medio 1.

Velocidad del sonido en distintos medios de propagación La velocidad del sonido varía dependiendo del medio a través del cual viajen las ondas sonoras. La definición termodinámica de la velocidad del sonido, para cualquier medio, es a²=(dp/dρ)s es decir la derivada parcial de la presión con respecto de la densidad a entropía constante. La velocidad del sonido varía también ante los cambios de temperatura del medio. Esto se debe a que un aumento de la temperatura se traduce en un aumento de la frecuencia con que se producen las interacciones entre las partículas que transportan la vibración, y este aumento de actividad hace aumentar la velocidad. Por ejemplo, sobre una superficie nevada el sonido es capaz de desplazarse atravesando grandes distancias. Esto es posible gracias a las refracciones producidas bajo la nieve, que no es un medio uniforme. Cada capa de nieve tiene una temperatura diferente. Las más profundas, donde no llega el sol, están más frías que las superficiales. En estas capas más frías próximas al suelo, el sonido se propaga con menor velocidad. En general, la velocidad del sonido es mayor en los sólidos que en los líquidos y en los líquidos es mayor que en los gases. Esto se debe al mayor grado de cohesión que tienen los enlaces atómicos o moleculares conforme más sólida es la materia. 

La velocidad del sonido en el aire (a una temperatura de 20 °C) es de 343 m/s. Si deseamos obtener la equivalencia en kilómetros por hora podemos determinarla mediante la siguiente conversión física:

Velocidad del sonido en el aire en km/h = (343 m / 1 s) · (3600 s / 1 h) · (1 km / 1000 m) = 1234,8 km/h.      

En el aire, a 0 °C, el sonido viaja a una velocidad de 331,5 m/s (por cada grado centígrado que sube la temperatura, la velocidad del sonido aumenta en 0,6 m/s) En el agua (a 25 °C) es de 1.493 m/s. En la madera es de 3.700 m/s. En el hormigón es de 4.000 m/s. En el acero es de 6.100 m/s. En el aluminio es de 7.400 m/s.

Espejos planos Un espejo plano es una superficie plana muy pulimentada que puede reflejar la luz que le llega con una capacidad reflectora de la intensidad de la luz incidente del 95% (o superior) . Los espejos planos se utilizan con mucha frecuencia. Son los que usamos cada mañana para mirarnos. En ellos vemos nuestro reflejo, una imagen que no está distorsionada.

Espejos esféricos Los espejos esféricos tienen la forma de la superficie que resulta cuando una esfera es cortada por un plano. Si la superficie reflectora está situada en la cara interior de la esfera se dice que el espejo es cóncavo. Si está situada en la cara exterior se denomina convexo. Las características ópticas fundamentales de todo espejo esférico son las siguientes: su formula es n=360/
Foco: Es un punto del eje por el que pasan o donde convergen todos los rayos reflejados que inciden paralelamente al eje. En los espejos esféricos se encuentra en el punto medio entre el centro de curvatura y el vértic

Focos de los espejos. Es un punto del eje principal en el que se cortan, una vez reflejados, los rayos que llegan al espejo paralelo al eje principal.

.

Ecuaciones de los espejos esféricos. Las fórmulas de los espejos esféricos son atribuidas a René Descartes, y son muy útiles para calcular datos necesarios como lo son: el foco, altura de la imagen, altura del objeto, distancia de la imagen, y distancia del objeto.

Primera formula. Segunda formula.

Para resolver ambas fórmulas es necesario saber que: f = foco Di = distancia de la imagen Do = distancia del objeto Hi = Altura de la imagen Ho = Altura del objeto

Aberración esférica

Mecanismo de la aberración esférica. La aberración esférica es un defecto de los espejos y las lentes en el que los rayos de luz que inciden paralelamente al eje óptico, aunque a cierta distancia de éste, son llevados a un foco diferente que los rayos próximos al mismo; La aberración esférica es una

aberración de tipo monocromático de tercer orden que afecta de manera diferente a cada longitud de onda. Este efecto es proporcional a la cuarta potencia del diámetro de la lente o espejo e inversamente proporcional al cubo de la longitud focal siendo mucho más pronunciado en sistemas ópticos de corta focal, como en las lentes de un microscopio. En los telescopios ópticos antiguos se utilizaban instrumentos de larga focal para reducir el efecto de la aberración esférica.