Tecnológico de Estudios Superiores de Coacalco.

Nombre: Eduardo Santiago Meza.

Prof. Ing. Ángel Arroyo Olvera.

Materia: Física.

Grupo: 3311.

Semestre: 13-14/1.

Índice.Introducción..................................................................................................................................3

Objetivo..........................................................................................................................................3

Justificación...................................................................................................................................3

Desarrollo Teórico.......................................................................................................................4

Óptica Geométrica..................................................................................................................4

Concepto de luz...................................................................................................................4

Velocidad de la luz..............................................................................................................5

Reflexión y Refracción.......................................................................................................6

Fibra Óptica...........................................................................................................................7

Espejos....................................................................................................................................8

Lentes....................................................................................................................................10

Telescopio............................................................................................................................11

Estudio y aplicaciones de emisión láser........................................................................11

Conclusión...................................................................................................................................12

Bibliografía...................................................................................................................................13

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Introducción.Este trabajo contiene una breve descripción de los subtemas de óptica geométrica, utilizando algunas imágenes para que la información tenga sea comprendida fácilmente.

Para empezar es conveniente saber qué es la óptica; la óptica es una disciplina derivada de la física, que se encarga del estudio de la luz y sus distintos fenómenos, que son de gran interés para la física. Estos fenómenos son resultado de varios experimentos, que se perciben a través del sentido de la vista. Estos experimentos se pueden agrupar en: óptica geométrica, óptica física y óptica cuántica.

La óptica geométrica trata del estudio de los fenómenos ópticos que se describen más fácilmente con líneas rectas y geometría plana.

Para concluir se incluye un apartado sobre el estudio y emisión láser.

Objetivo.Definir los conceptos claves de óptica geométrica así como su aplicación en la vida cotidiana.

Justificación.Se abordarán los temas básicos de la óptica geométrica: luz, velocidad de la luz, reflexión y refracción; además se incluyen otros temas como fibra óptica, espejos, lentes y telescopio.

Se considera de vital importancia conocer estos conceptos básicos, para lograr comprender muchos de los avances tecnológicos de nuestra época y otros no tan recientes. La luz es un fenómeno que se ha tratado de estudiar desde hace siglos, al lograr hacer mediciones sobre ella se logró estudiar 2 de sus manifestaciones en nuestra vida diaria.

La reflexión y refracción están presentes en espejos, lentes; se utiliza en telescopios y en la fibra óptica, además de los rayos láser. Todo esto se ve aplicado en los reproductores DVD, láseres industriales, al mirar nuestro reflejo en el agua, los instrumentos que usan 2 espejos para ver de lejos, las gafas, etc.

Estudiar estos temas además de ayudar a entender el funcionamiento, puede darnos ideas para crear o modificar instrumentos basados en los conceptos de la óptica. Esta rama es fácil de percibir por las personas, ya que el sentido de la vista se encarga de ello, muchas veces engañándonos con lo que vemos, generando las llamadas “ilusiones ópticas”.

En relación a esto se anexa material visual al abordar los temas, algunos de ellos contienen un ejemplo fácil de comprender, para lograr una mayor comprensión de lo que se trata de

transmitir.

Desarrollo Teórico.

Óptica Geométrica.

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Concepto de luz.La luz es una radiación que se propaga en forma de ondas. Las ondas que se pueden propagar en el vacío se llaman ondas electromagnéticas. La luz es una radiación electromagnética.

Características de las ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío a la velocidad de 300000 km/s, que se conoce como "velocidad de la luz en el vacío" y se simboliza con la letra  c (c = 300000 km/s).

La velocidad de la luz en el vacío no puede ser superada por la de ningún otro movimiento existente en la naturaleza. En cualquier otro medio, la velocidad de la luz es inferior.

La energía transportada por las ondas es proporcional a su frecuencia, de modo que cuanto mayor es la frecuencia de la onda, mayor es su energía.

La luz y la materia: los colores de las cosasLa materia se comporta de distintas formas cuando interacciona con la luz:

Transparentes: Permiten que la luz se propague en su interior en una misma dirección, de modo que vuelve a salir. Así, se ven imágenes nítidas. Ejemplos: Vidrio, aire, agua, alcohol, etc.

Opacos: Estos materiales absorben la luz o la reflejan, pero no permiten que los atraviese. Por tanto, no se ven imágenes a su través. Ejemplos: Madera. metales, cartón, cerámica, etc.

Translúcidos: Absorben o reflejan parcialmente la luz y permiten que se propague parte de ella, pero la difunden en distintas direcciones. Por esta razón, no se ven imágenes nítidas a su través. Ejemplos: folio, tela fina, papel cebolla, etc.

En realidad, existen tres colores: rojo, verde y azul, llamados colores primarios, que al mezclarse en diferentes proporciones dan lugar a todos los demás. Si se mezclan en las mismas cantidades producen luz blanca.

Podemos ver los objetos que nos rodean porque la luz que se refleja en ellos llega hasta nuestros ojos.Existen dos tipos de reflexión de la luz: reflexión especular y reflexión difusa.Reflexión especular: La superficie donde se refleja la luz es perfectamente lisa (espejos, agua en calma) y todos los rayos reflejados salen en la misma dirección.

Propiedades de la luzLa luz presenta tres propiedades características:

Se propaga en línea recta.La luz se propaga en línea recta. La línea recta que representa la dirección y el sentido de la propagación de la luz se denomina rayo de luz (el rayo es una representación, una línea sin grosor, no debe confundirse con un haz, que sí tiene grosor).Un hecho que demuestra la propagación rectilínea de la luz es la formación de sombras. Una sombra es una silueta oscura con la forma del objeto.

Cambia de dirección cuando pasa de un medio a otro (se refracta).La refracción de la luz es el cambio de dirección que experimentan los rayos luminosos al pasar de un medio a otro en el que se propagan con distinta velocidad. Por ejemplo, al pasar del aire al agua, la luz se desvía, es decir, se refracta.

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Las leyes fundamentales de la refracción son:- El rayo refractado, el incidente y la normal se encuentran en un mismo plano.- El rayo refractado se acerca a la normal cuando pasa de un medio en el que se propaga a mayor velocidad a otro en el que se propaga a menor velocidad. Por el contrario, se aleja de la normal al pasar a un medio en el que se propaga a mayor velocidad.La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en un medio en el que pueda propagarse se denomina índice de refracción

Velocidad de la luz.La velocidad de la luz se ha intentado medir desde el siglo XVII. Galileo lo intentó tratando de medir el retraso que se observaba al ver el destello de una linterna que se destapaba a una gran distancia. El hecho de acumular fracasos solo hizo pensar a estos científicos que la luz se propagaba a una gran velocidad y no de forma instantánea como se pensaba antiguamente.Luego Roemer intentó medir la velocidad de la luz usando la diferencia que se observaba entre dos eclipses de las lunas de Júpiter observados desde la Tierra cuando esta ocupaba posiciones diferentes. La distancia recorrida por la luz en exceso en un caso respecto de otro era casi el doble del radio de la órbita terrestre, el tiempo de diferencia era de unos mil segundos con lo que la velocidad de la luz obtenida sería la que se acepta hoy, sin embargo un error en las mediciones dejo el resultado en 2,1·108 m/s.

El experimento realizado por Fizeau fue el primero que dio una medida aproximada de lavelocidad de la luz. El experimento consistía en hacer pasar un rayo reflejado en una superficiesemitransparente que luego incide sobre un espejo, a través de dos dientes de una ruedadentada. El recorrido debe ser de unos cientos de metros y a partir de ahí se calcula la velocidad de la luz.

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Este experimento se mejoró más tarde utilizando una rueda con espejos en lugar de con dientes. Fue Michelson quien lo hizo. En la actualidad se acepta como velocidad de la luz en el vacío 2,99702456·108m/s lo que se aproxima bastante al valor 3·108 m/s

Reflexión y Refracción.Reflexión de luz.

Cuando la luz se propaga por un medio y llega a la superficie de separación con otro mediopero no puede pasar al segundo vuelve hacia el medio de procedencia. Este fenómeno sellama reflexión y se rige por las leyes de la reflexión. Son las siguientes:

1. El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal en el punto de incidencia están en elmismo plano.2. El ángulo de incidencia y el de reflexión son iguales.

Refracción.

Es el fenómeno por el cual la luz que procede de un medio 1 en el que se propaga con una velocidad v1 pasa a un medio 2 en el que se propaga con una velocidad v2

Esto implica un cambio de dirección en el rayo luminoso acercándose a la normal cuando el

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índice de refracción es mayor en el segundo medio o alejándose si el índice de refracción en elsegundo medio es menor.

Leyes de la refracción:1. El rayo incidente, el rayo refractado y la normal en el punto de incidencia están en elmismo plano.2. El producto del índice de refracción en cada medio por el seno del ángulo que forma elrayo con la normal en el punto de incidencia es constante (invariante de refracción).

También se puede demostrar la segunda ley de la refracción (ley de Snell para la refracción)aplicando el principio de Fermat que establece que el camino óptico (en tiempo) es mínimo.

El fenómeno de refracción es el causante de que nuestro cerebro nos haga ver cosas donde nolas hay. También es la causa de la formación de espejismos al variar el índice de refracción de las distintas capas de aire que se encuentran a diferentes temperaturas.

Fibra Óptica.Una fibra óptica consiste en 2 regiones concéntricas. La región interna es un filamento transparente llamado núcleo, cuyo diámetro suele estar comprendido entre 8 y 600 micras dependiendo del tipo de fibra óptica, y su índice de refracción es superior a la región externa. La región exterior consiste de un revestimiento de cuarzo o plástico al igual que el núcleo. Resultando que la luz inyectada en un extremo de la fibra, dentro de un determinado ángulo conocido como abertura numérica, es totalmente reflejada cada vez que incide en límite del núcleo/revestimiento. La luz continua reflejándose múltiples veces a través de la fibra por esta reflexión interna total, hasta que sale por el otro extremo.

El revestimiento esta se encuentra rodeado de una tercera capa, la cubierta protectora, de material plástico.

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Cualquier fuente luminosa que emita un haz estrecho de luz puede acoplarse dentro de una guía luminosa (o sea, el tubo) de forma eficiente. El término que describe la capacidad de recoger luz de una guía luminosa es la abertura numérica (NA) la cual se aplica en fibras ópticas.

Propagación.

A las ondas luminosas se les referencia por su longitud de onda, que está relacionada con la frecuencia mediante la expresión λ= c/f, donde λ es la longitud de onda, c la velocidad de la luz y f es la frecuencia. Como la luz es una forma de onda electromagnética, sus propiedades han de ser descritas a partir de las ecuaciones de Maxwell. El método riguroso de cálculo de la intensidad y la fase de una onda luminosa implica, entonces, utilizar dichas ecuaciones. Ahora bien, debido a que la longitud de ondas de las ondas electromagnéticas que se propagan (infrarrojo y visibles) es muy pequeña, el estudio de la propagación en el interior de la fibra puede efectuarse con el modelo simplificado de rayos luminosos y leyes de la óptica geométrica.

De esta forma, el estudio de la llegada de la onda o rayo luminosos a la superficie de separación entre dos medios con diferente índice de refracción, se puede realizar de dos formas:

a) Como una onda óptica, donde deberá resolverse la ecuación de onda, la cual impone las condiciones de contorno.

b) Como un rayo luminoso, mediante la ley de Snell y la reflexión total.

Espejos.Un espejo es una superficie pulida que refleja toda la luz que recibe. Según la forma geométrica de su superficie, podemos clasificar los espejos en dos tipos, planos y esféricos, y dentro de estos podemos distinguir los cóncavos, en los que la superficie pulimentada se encuentra en la cara interior de la superficie esférica, de los convexos, en los que se encuentra en la cara exterior

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En un espejo plano, las imágenes se caracterizan porque:

• Se encuentran a la misma distancia del espejo que el objeto. • Son de igual tamaño que el objeto. • Son simétricas respecto al espejo.

Para formar la imagen de un objeto, trazamos la trayectoria de dos rayos por cada punto del objeto siguiendo las leyes de la reflexión. Al prolongarlos, tenemos la imagen del punto objeto. Las prolongaciones de los rayos son líneas imaginarias, útiles para obtener la imagen, pero que no existen en la realidad; por esta razón decimos que las imágenes son virtuales. encuentran a la misma distancia del espejo que el objeto.

• Son de igual tamaño que el objeto.

• Son simétricas respecto al espejo.

Para formar la imagen de un objeto, trazamos la trayectoria de dos rayos por cada punto del objeto siguiendo las leyes de la reflexión. Al prolongarlos, tenemos la imagen del punto objeto.

Las prolongaciones de los rayos son líneas imaginarias, útiles para obtener la imagen, pero que no existen en la realidad; por esta razón decimos que las imágenes son virtuales.

Un espejo esférico cóncavo se caracteriza porque cuando incide sobre él un haz de rayos paralelos, los refleja haciéndolos convergir en un punto denominado foco, situado a una distancia igual a la mitad del radio de curvatura del espejo

Un espejo esférico convexo, al contrario, hace divergir los rayos reflejados, pero de modo que son las prolongaciones de los rayos reflejados las que pasan por el foco.

Lentes.Una lente es un elemento óptico transparente, fabricado con vidrio, cristal o plástico, que refracta la luz para formar una imagen. Una lente puede tener superficies cóncavas o convexas,

de manera que la luz paralela que incide sobre ella sea refractada bien hacia el plano focal,

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como en una lente convergente, o bien desde él, como en una lente divergente.Una lente que es delgada en comparación con su diámetro tendrá un punto focal más distante (es decir, una mayor longitud focal) que una gruesa, será más fácil de fabricar y sufrirá menos aberración cromática y aberración esférica. En lo práctico, para reducir estas y otras distorsiones, se emplean combinaciones de lentes, conocidas como lentes compuestas.

Lente antirreflectante. Lente con un recubrimiento que reduce las reflexiones de su superficie. Para mejorar la transmisión en todo el espectro visible, las lentes deben ser recubiertas con varias capas de materiales diferentes.

Lente bicóncava. Lente con dos superficies cóncavas, de manera que es más fino en el centro que en los bordes. Estos lentes son siempre lentes divergentes, y los objetos vistos a través de ellas parecen más pequeños.

Lente biconvexa. Lente con dos superficies convexas, de manera que esta abombada en el centro. Uno lupa de aumento simple es un ejemplo típico. Una lente biconvexa es siempre una lente convergente.

Lente convergente. Lente que es más gruesa en su centro que en sus bordes, de manera que la luz paralela que la atraviesa converge hacia un foco; también conocida como lente positiva. Uno lupa es un ejemplo. Uno lente convergente produce una imagen real: una que puede ser observada proyectada sobre una pantalla.

Lente de Campo. La lente de un ocular más alejada del ojo del observador.Lente de transferencia. Lente utilizada para transferir un haz de luz de un lugar a otro; también conocida como lente de retardo. Por ejemplo, existen o menudo lentes de transferencia en los telescopios de DallKirkham o de Maksutov cuya función es la de hacer accesible el punto focal, que de otra manera estaría dentro del telescopio.

Lente gravitacional. Efecto en el que los rayos de luz son doblados por el campo gravitacional de un objeto masivo, como una galaxia o agujero negro. El Sol produce un ligero efecto de lente gravitacional, si bien a escalas cosmológicas el efecto se hace patente en la formación de imágenes dobles o múltiples de una galaxia o quasar distante por un objeto situado en primer plano (como, por ejemplo, en la Cruz de Einstein). También puede ocurrir efectos de lente más complicados, incluyendo la formación de anillos de Einstein, arcos luminosos y microlentes.

Lente ocular. La lente de un ocular que está más próxima al ojo del observador.

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Lente planocóncava. Lente que tiene una cara plana y otra cara cóncava; es una lente divergente.

Lente planoconvexa. Lente que tiene una cara plana y otra cara convexa; otra término para la lente convergente.

Telescopio.A las ondas luminosas se les referencia por su longitud de onda, que está relacionada con la frecuencia mediante la expresión λ= c/f, donde λ es la longitud de onda, c la velocidad de la luz y f es la frecuencia. Como la luz es una forma de onda electromagnética, sus propiedades han de ser descritas a partir de las ecuaciones de Maxwell. El método riguroso de cálculo de la intensidad y la fase de una onda luminosa implica, entonces, utilizar dichas ecuaciones.

Ahora bien, debido a que la longitud de ondas de las ondas electromagnéticas que se propagan (infrarrojo y visible) es muy pequeña, el estudio de la propagación en el interior de la fibra puede efectuarse con el modelo simplificado de rayos luminosos y leyes de la óptica geométrica. De esta forma, el estudio de la llegada de la onda o rayo luminosos a la superficie de separación entre dos medios con diferente índice de refracción, se puede realizar de dos formas:

a) Como una onda óptica, donde deberá resolverse la ecuación de onda, la cual impone las condiciones de contorno.

b) Como un rayo luminoso, mediante la ley de Snell y la reflexión total.

Estudio y aplicaciones de emisión láser.La palabra laser es un acrónimo del inglés Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation. Es decir, amplificación de luz mediante emisión estimulada de radiación. En 1916 Einstein estableció los fundamentos para desarrollar el láser, usando la ley de radiación de Max Planck que se basa en los conceptos de emisión inducida y espontanea de radiación, esto fue olvidado hasta después de la Segunda Guerra Mundial. El láser fue demostrado por primera vez por los físicos Rutherford y Lamb en 1947.

Características.

Emite una radiación electromagnética de una sola longitud de onda, se identifica por los diferentes colores (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, violeta).Puede ser proyectado a grandes distancias sin que el haz se abra o disemine la misma cantidad de energía en un área mayor. La luz láser se transmite de modo paralelo en una única dirección debido a su naturaleza de radiación estimulada, al estar formado por rayos de la misma fase, frecuencia y amplitud.

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Componentes de un láser.

Aplicaciones.

Cuando se enfoca un haz de láser potente en un punto, este recibe una enorme densidad de energía. Esta propiedad deja al láser grabar gigabytes de información en las microscópicas de un CD, Blu-Ray, etc. También permite usarlo para cortar, quemar o incluso sublimar materiales.

Diodos láser, usados en punteros láser, impresoras láser, y reproductores de CD, DVD, Blu-Ray.

Láser de punto cuántico. Usado en el campo de la medicina como Bisturí láser. Láser de helio-neón. Son un tipo de láser habitual en aplicaciones industriales y

científicas, a menudo se utilizan en laboratorios docentes. Láser de dióxido de carbono. Usado en industria para corte y soldado. Láser excimer, que produce luz ultravioleta y se utiliza en la fabricación de

semiconductores y en la cirugía ocular Lasik. Láser neodimio.YAG, un láser de alto poder que opera con luz infrarroja; se utiliza para

cortar, soldar y marcar metales y otros materiales.

Conclusión.La óptica se ocupa del estudio de la luz, de sus características y de sus manifestaciones. La reflexión y la refracción por un lado, las interferencias y la difracción por otro, son algunos, de los fenómenos ópticos fundamentales. Los primeros pueden estudiarse siguiendo la marcha de los rayos luminosos. Los segundos se interpretan usando la descripción en forma de onda. El conocimiento de la óptica permite comprender cómo y por qué se forman imágenes, que constituyen para el hombre la representación más importante del mundo exterior.

Bibliografía.Olivares, José. 2011, Estudio y Aplicación de Emisión Láser. Recuperado el 9 de noviembre de 2013, de http://prezi.com/wfgbyn2imb-f/estudio-y-aplicacion-de-emision-laser/

Martínez, María del Carmen. 2010. Física. Recuperado el 9 de noviembre de 2013, de http://ocw.uv.es/ciencias/fisica/clase18.pdf

González, Juan. 2011. ¿Qué es una lente y tipos de lentes?. Recuperado el 9 de noviembre de 2013, de http://www.astroyciencia.com/2011/09/18/que-es-una-lente-y-tipos-de-lentes/

Anaya.(N.A.). Ciencias de la Naturaleza 2. ° ESO. Recuperado el 9 de noviembre de 2013, de http://www.edistribucion.es/anayaeducacion/8430034/recursos/u12/U12_01_EPI_04B_%20PAGS_236_237/ccnn2_u12_epi4b_p_espejos.pdf

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