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Diferencia entre la reflexión y refracción de la luz

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Luis Angel Ibarra Rea

on 29 May 2014

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La óptica es la rama de la física que analiza las características y las propiedades de la luz, estudiando cómo se comporta y se manifiesta.
La reflexión (la modificación que se produce en el rumbo de un rayo en la superficie que separa a dos medios, lo que hace que vuelva al punto de partida), la refracción (la alteración de dirección cuando el rayo deja un medio y pasa a otro) y la difracción (la curva aparente y la separación de la luz cuando ésta se topa con alguna barrera) son algunos de los fenómenos estudiados por la óptica.
3.1 Óptica
Diferencia entre la reflexión y refracción de la luz
Cuando la luz llega a un objeto diferentes cosas pueden pasar: la luz puede ser absorbida, puede ser reflejada o puede ser transmitida a través del objeto. En general pasan una combinación de estas cosas.
Absorción
Reflexión
Transmisión
3.1.2 Propiedades de la luz
La velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal de valor 299.792.458 m/s.
La rapidez a través de un medio que no sea el "vacío" depende de su permitividad eléctrica, de su permeabilidad magnética, y otras características electromagnéticas.
3.1.3 Velocidad de la luz
Un fenómeno ondulatorio, o movimiento ondulatorio, es el que realiza una onda al propagarse por un medio o por el vacío. No hay transporte de materia, sino de cantidad de movimiento y energía.
El más simple es el de las ondas armónicas.


Fenómenos ondulatorios
La reflexión de luz consiste en el “rebote” de las ondas luminosas o los rayos que se reflejan en los cuerpos opacos, para que podamos ver los objetos, es necesario que la luz llegue a ellos y los cuerpos la reflejen a nuestros ojos, así de importante es la reflexión.
La reflexión
Durante muchos años se consideró que los rayos luminosos se asemejaban a una recta, es decir, su trayectoria coincidía con esa línea. Al profundizar en el estudio de la óptica se obtiene nuevas conclusiones, así se pudo observar como los rayos de luz se “curvan” en los bordes de un cuerpo opaco. Este hecho se aplica en el análisis de la estructura de los elementos o compuestos químicos usando redes de difracción en un espectroscopio. Al descomponer los rayos emitidos por el elemento o compuesto, se les puede identificar a través de su espectro.
Difracción
En las ondas mecánicas, se llama vector polarización al que define el desplazamiento instantáneo de las partículas del medio sometidas a la oscilación ondulatoria. Este vector puede apuntar, en principio, en cualquier dirección para cada partícula.

En las ondas longitudinales, entendidas como aquellas en que las partículas vibran en la dirección de desplazamiento de la onda, el vector polarización es colineal con la dirección de propagación.
En las ondas transversales, donde las partículas del medio oscilan en dirección perpendicular a la del movimiento de la onda, el vector polarización está siempre contenido en un plano normal a la dirección de propagación.
Polarización
3.1.1 Teorias sobre la naturaleza de la luz
Teoría corpuscular.
Teoría ondulatoria
Teoría Cuántica
Teoría de la relatividad general
Teorías de campo unificado
Refracción
Es un fenómeno luminoso se presenta cuando un rayo de luz penetra oblicuamente en un medio transparente de diferente densidad con respecto al que viajaba anteriormente, es decir cruza la frontera de dos medios transparentes y, la condición es la diferencia de densidades entre ellos. La consecuencia es que el rayo modifica su trayectoria original. La densidad de un medio transparente influye en la velocidad de la luz, con referencia a la velocidad en el vacío, aún en el aire la velocidad de un rayo de luz es inferior a 3X108 m/s, es lógico suponer que entre mayor sea la densidad de la sustancia en que se mueve el rayo, menor será su velocidad, la razón c/v se conoce como índice de refracción absoluto.
Interferencia
La interferencia es un fenómeno estudiado por la óptica física, la interferencia se presenta en tres tipos: A) constructiva, B) parcialmente destructiva y C) totalmente destructiva, esto se debe al cruzamiento entre ondas luminosas, tomando en cuenta el modelo de onda electromagnética. Si hay coincidencia entre crestas y valles, la interferencia es constructiva, si hay ligeros desfasamientos, la interferencia es parcial, pero si el desfasamiento es tal que una cresta de la primera onda se empata con un valle de la segunda onda, entonces la interferencia es totalmente destructiva.


Principio de la superposición
Cuando dos o mas ondas se superponen, la perturbacion neta en cualquier punto es la suma de las perturbaciones individuales debidas a cada onda.
Potencia de un lente
La potencia de una lente es una manera de reconocer su capacidad de aumento, o disminución al formar imágenes. La potencia se obtiene con el inverso de su distancia focal, si tal distancia está medida en metro. Las lentes convergentes tienen potencia positiva y las lentes divergentes potencia negativa. La unidad de potencia es la dioptría
Lentes: convergentes y divergentes
Las lentes se clasifican en: convergentes y divergentes, las primeras se llaman así porque concentran los rayos luminosos, que llegan paralelos a la lente (los reúnen en un solo punto). Las lentes divergentes separan los rayos con respecto a un punto. En cuanto a la construcción, se reconocen las lentes convergentes por ser más gruesas en sus partes centrales y, más delgadas en las orillas, se representan con una flecha de doble punta. La lente divergente es más delgada en su zona central y más gruesas en las orillas, se representa con una flecha de doble cola.
Ecuación de los lentes
3.5 Instrumentos ópticos
Los instrumentos ópticos procesan las ondas de luz con el fin de mejorar una imagen para visualizarla y así determinar propiedades y características de un objeto o imagen. Por tanto son de gran ayuda, ya que, por ejemplo un telescopio nos acerca al universo.
Espejos: planos y esféricos
Espejos planos
Forma una imagen virtual, al derecho y sin agrandamiento alguno, de un objeto que se encuentra detrás del espejo, a la misma distancia a la que se encuentra el objeto engrente del espejo. Tanto el objeto como la imagen se localizan sobre una normal que va desde el objeto hata la superficie del espejo.
Espejos esféricos

La ecuación de aumento (amplificación lineal) y/y’ = – p/q, donde (y) es el tamaño del objeto, (y’) es el tamaño de la imagen, (p) es la distancia del pie del objeto al vértice y (q) es la distancia del pie de la imagen al vértice. Además se requiere de la ecuación de los espejos esféricos 2/r = 1/f = 1/p + 1/q, considerando a “f” como la distancia focal y f = r/2, respetando la convención siguiente: para un espejo cóncavo, las distancias radial y focal son positivas y para un espejo convexo negativas
Cámara
La cámara fotográfica es un instrumento óptico, que nos permite proyectar una imagen de la vida real.
-La luz es enfocada hasta la película por un objeto, formando una imagen de lo que esta delante de la cámara. Arriba de la cámara hay un aparato visor que permite seleccionar el área que se va a incluir en la fotografía.
Partes
2. El objetivo: conjunto de lentes que se encargan de concentrar los rayos de luz emanados procedentes del objeto. El objetivo es alcanzado por la luz que se dispersa del individuo y le hace converger de nuevo formando una imagen.
3. Sujeto y el fuente luminoso: la luz que alcanza al sujeto es reflejada en todas las direcciones, parte de estos rayos, atravesaran al objetivo para formar la imagen.
4. Obturador: controla el tiempo en que estará expuesta la película a la luz, decidiendo el tiempo exacto en que se hará la fotografía.
5. Diafragma: controla la cantidad de luz que llega a la película, variando su diámetro. Siempre estará situado cerca del objetivo.
6. Plano focal: es la superficie en la que se forma la imagen nítida del sujeto. Cuanto más cerca esta la cámara del sujeto, más lejos esta el plano focal del objetivo.
1. El Visor: permite encuadrar el campo visual que abarcara la fotografía.
Telescopio
El telescopio es un instrumento que permite observar los objetos distantes, amplificando la imagen a través de espejos cóncavos. Produce una imagen nítida y aumentada de un objeto distante.
Accesorios
1.- Ocular: es un accesorio pequeño colocado en el foco del telescopio.

2.- Espejo o lente principal: es un accesorio colocado al final del telescopio.

3.- Lente de Barlow: duplica o triplica los aumentos del ocular.

4.- Filtro: se ubica delante del ocular. Dependiendo del color y material permite mejorar la observación.

5.- Trípode: da soporte y estabilidad.

6.- Porta ocular: orificio donde se colocan el ocular, reductores o modificadores de foco.

Microscopio
Es un instrumento que sirve para observar objetos muy pequeños, que no pueden ser observados a simple vista, es decir, que el ojo humano, sin ningún aparato seria incapaz de ver estos objetos pequeños. Esta compuesto de dos lentes llamados objetivo y ocular.
Partes
1.- Ocular: este es el lente situado cerca del observador. Capta y amplia la imagen del objeto.
2.- Objetivo: amplia la imagen, es un elemento vital del microscopio ya que permite ver a través de los oculares. Esta ubicado en el revólver.
3.- Revólver: sistema que contiene los lentes objetivos y que puede girar, permitiendo el intercambio de los lentes.
4.- Cañón: tubo largo de metal cuyo interior es negro proporciona el sostenimiento al lente ocular y al objetivo.
5.- Tornillo macrométrico: perilla de gran tamaño, que al girar permite acercar o alejar el objeto que se esta observando.
6.- Tornillo micrométrico: permite afinar la imagen, enfocándola y haciéndola mas clara.
7.- Platina: plataforma donde se coloca el objeto o preparación, que se va a observar.
8.- Diafragma: regula la cantidad de luz que pasa a través del objeto en observación.
9.- Condensador: concentra el haz luminoso del objeto o preparación.
10.- Fuente luminosa: refleja la luz hacia la platina.

Teoría corpuscular:
(Newton) Esta teoría estudia la luz como si se tratase de un torrente de partículas que no poseen carga ni masa, llamadas fotones, capaces de portar todas las formas de radiación electromagnética. Surgió debido a que la luz sólo intercambia energía con la materia en forma discreta, durante sus interacciones. Fenómenos que ayudan al desarrollo de tal teoría son la radiación de un cuerpo negro; el efecto fotoeléctrico (se desprenden electrones de la luz); y el efecto Compton (los rayos x desprendían electrones).
Todos estos efectos son desarrollados en esta teoría puesto que la teoría de la física clásica no logro explicarlas. Esta teoría no explica Anillos de Newton, Teoría ondulatoria, los fenómenos de interferencia y difracción.
Teoría ondulatoría:
(Hyugens, Fresnell) Esta teoría considera que la luz es una onda Electromagnética, consistente en un campo eléctrico que varía en el tiempo generado a su vez un campo magnético y viceversa, ya que los campos eléctricos variables genera campos magnéticos (ley de Ampére) y los campos magnéticos variables generan campos eléctricos (ley de Faraday). De esta forma se logra propagar indefinidamente a través del espacio.
Fenómenos que ayudan al desarrollo de esta teoría son la refracción, difracción y las interferencias.
Esta teoría no logro explicar algunos efectos como los desprendimientos de los electrones en la luz, al interaccionar con la materia.
Teoría cuántica
: Dentro de esta teoría encontramos los efectos relativisticos que son: luz en movimiento y distorsiones espectral.
Luz en movimiento es uno de los casos en los que la teoría de la física clásica no había resuelto por lo que en la teoría cuantica se dio solución gracias a Augustin Fresnel quien con sus experimentos logro calcular la velocidad de la luz en determinadas sustancias y fluidos como el agua. (A través del índice de refracción).
La dispersión espectral habla del desplazamientos de los espectros, tanto los que provienen de cuerpos celestes como los de laboratorio y de este modo pudo llegar a la observación del movimiento que hacen las nebulosas y concluyo en la interpretación del efecto doppler debido a la expansión continua del universo. Gracias a todo esto pudo proponer la formula para calcular la distancia entre los objetos, analizando el movimiento del espectro.
Teoría de la relatividad general
: surgió de la realización de la relatividad especifica con la que se llego a la relatividad general; Entre 1907 y 1915 Einstein afirmó que la propagación de la luz esta influenciada por la gravedad, representada en la teoría del potencial gravitatorio.
Einstein encontró que la luz, al pasar por un campo gravitatorio de un determinado potencial; sufría una disminución de su velocidad.

Teorías de campo unificado:
Actualmente, se busca una teoría que sea capaz de explicar de forma unificada la relación de la luz, como campo electromagnético, con el resto de las interacciones fundamentales de la naturaleza.

Absorción:
Cuando la luz llega a una superficie u objeto, éste puede absorber toda o parte de esa luz. En el gráfico de abajo vemos como un objeto negro absorbe toda la luz. En el primer gráfico de arriba vimos como el pantalón rojo absorbía el verde y el azul.

La luz que se absorbe se convierte en calor. Es, por esta razón, que en general se recomienda durante el verano no usar colores oscuros ya que absorben la mayor parte de la luz y la convierten en calor. Por eso tenemos mas calor si usamos ropa negra que si usamos ropa blanca (refleja toda la luz).
Reflexión:
La reflexión es cuando la luz llega a un objeto y rebota o refleja, en parte o en su totalidad, de ese objeto. La luz puede ser reflejada de manera especular (directa) o difusa.

1.Reflexión especular:
se produce cuando la luz refleja de una superficie lisa o pulida como, por ejemplo, un espejo. La luz va a reflejar en el mismo ángulo en el cual incide o llega a esa superficie (Ley de reflexión).

2. Reflexión difusa:
Una reflexión difusa va a producir una luz más suave que una reflexión directa. También va a generar menos contraste en la escena, sombras más claras y una transición más suave entre luces y sombras.

Una reflexión directa va a producir una luz más intensa, mayor contraste y sombras más oscuras y bien definidas.
Transmisión:
La transmisión ocurre cuando la luz atraviesa una superficie u objeto. Hay 3 tipos de transmisión: directa, difusa o selectiva.

1. Transmisión directa:
es cuando la luz atraviesa un objeto y no se producen cambios de dirección o calidad de esa luz. Por ejemplo, un vidrio o el aire.

2. Transmisión difusa:
se produce cuando la luz pasa a través de un objeto transparente o semi-transparente con textura. a luz en vez de ir en una sola dirección es desviada en muchas direcciones. La luz que es transmitida de manera difusa va a ser más suave, va a tener menos contraste, va a ser menos intensa, va a generar sombras más claras y una transición más suave entre luz y sombra que la luz directa.

3. Transmisión selectiva:
se produce cuando la luz atraviesa un objeto de color. Parte de la luz va a ser absorbida y parte va a ser transmitida por ese objeto. Por ejemplo, un objeto verde va a reflejar el verde y va a absorber el rojo y el azul.



En función del medio en el que se propagan
• Ondas mecánicas.
• Ondas electromagnéticas.
• Ondas gravitacionales.
• En función de su propagación
• Ondas unidimensionales.
• Ondas bidimensionales o superficiales.
• Ondas tridimensionales o esféricas.
En función de la dirección de la perturbación
• Ondas longitudinales.
• Ondas transversales.
En función de su periodicidad
• Ondas periódicas.
• Ondas no periódicas.
Clasificacion de las ondas

Leyes de reflexion
La reflexión se gobierna mediante dos leyes, la primera menciona que un rayo incidente , la normal y el rayo reflejado , son coplanares (comparten el mismo plano), el rayo incidente procede de una fuente luminosa y llega a un espejo tocando sólo un punto, llamado punto de incidencia.
La segunda ley establece que el ángulo , formado entre el rayo incidente y la normal (ángulo de incidencia), es de la misma medida que el ángulo , entre la normal y el rayo reflejado (ángulo de reflexión
Ley de Snell
Establece sen i/sen r = n’ (sen i → seno del ángulo de incidencia; sen r → seno del ángulo de refracción; n’ → índice de refracción relativo); el ángulo de incidencia se forma entre el rayo incidente y la normal , el ángulo de refracción es la abertura entre la normal y el rayo refractado, el índice de refracción relativo (n’), es el cociente de dos índices de refracción absolutos; n’ = n2/n1, haciendo notar que: n2 es del medio donde penetra el rayo y n1 es del medio donde se emite el rayo. Observación, cuando el rayo incidente pasa de un medio menos denso a uno más denso el rayo refractado se aproxima a la normal ( i >  r), para el caso contrario, el rayo refractado se aleja de la normal ( i <  r).
Un espejo es toda superficie lisa y pulimentada capaz de reflejar los rayos luminosos. Según la forma de la superficie pueden ser planos o curvos.
A través de la ecuación del constructor de lentes 1/f = (n – 1){1/R1 + 1/R2}, donde n es el índice de refracción absoluto del material, R1 y R2 son los radios de las lentes involucradas, con esta expresión se calcula la distancia focal
3.1.4 EXPERIMENTO DE RÖMER,
DE FIZEAU Y DE MICHELSON PARA DETERMINAR LA VELOCIDAD DE LA LUZ.
Experimento de Römer
Experimento de Fizeau
Experimento de Michelson
Röemer no tenía la intención específica de medir la velocidad de la luz, casualmente, investigando los eclipses de los satélites de Júpiter, encuentra unas diferencias en el tiempo, a partir de ese hecho calcula un valor aproximado de la velocidad de la luz.
Fizeau construye un dispositivo con un engrane giratorio, a alta velocidad, y hace pasar un rayo de luz por el intermedio de dos dientes, ese rayo de luz recorre una gran distancia y se refleja en un espejo para regresar y pasar por el mismo hueco del engrane. Como se conoce la velocidad angular del engrane, se calcula el tiempo de rotación y conocida también la distancia que recorre el rayo, se obtiene el valor de la velocidad (calculó 3.15X108 m/s). El último método modifica el anterior sustituyendo el engrane por un espejo giratorio, así se llega al valor más aproximado para la velocidad de la luz en el vacío.
También Michelson diseña un experimento, con un interferómetro, para demostrar la existencia del “éter”, como resultado de la experiencia se concluye que la mencionada sustancia, en caso de existir, no influye en el movimiento de un rayo de luz, por tanto, las teorías apoyadas en él (corpuscular y ondulatoria) se encuentran inconsistentes
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