Principios Fundamentales de la Luz: Reflexión, Refracción y Óptica
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Fundamentos de la Luz
Se llama luz a la parte de la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano.
La luz se propaga en línea recta en los medios transparentes y homogéneos. Ejemplos de este comportamiento son la formación de sombras, la formación de imágenes en una cámara oscura y los eclipses de Sol y Luna.
La velocidad de la luz en el vacío es de aproximadamente 2,997 × 108 m/s, lo que equivale a 300 000 km/s. Es importante destacar que el año luz es una unidad de medida de distancia, no de velocidad. Ole Rømer fue uno de los primeros en medir la velocidad de la luz.
El índice de refracción (n) es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz a través de una sustancia determinada (v). Se expresa mediante la fórmula: n = c/v.
Cuando la luz incide sobre un nuevo medio, pueden ocurrir varios fenómenos:
- Los rayos pueden reflejarse (reflexión de la luz).
- Pueden propagarse a través del nuevo medio (refracción).
- Pueden ser absorbidos por el mismo medio.
La Reflexión de la Luz
La reflexión de la luz es un fenómeno óptico básico en la naturaleza.
Leyes de la Reflexión
- Primera Ley de la Reflexión: Cuando la luz se refleja en una superficie especular, el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal a la superficie se encuentran en el mismo plano.
- Segunda Ley de la Reflexión: El ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia.
Tipos de Reflexión
- La reflexión especular se produce en superficies lisas y pulidas, como un espejo, donde los rayos de luz se reflejan en una única dirección.
- La reflexión difusa ocurre cuando la superficie no es lisa, lo que provoca que los rayos de luz se reflejen en múltiples direcciones.
Espejos Planos
Las imágenes formadas en espejos planos son virtuales, derechas y del mismo tamaño que el objeto. Cuando un haz de rayos luminosos procede de una fuente puntual (P) y se refleja en un espejo plano, los rayos divergen después de la reflexión, como si procedieran de un punto virtual (P') situado detrás del plano del espejo.
Espejos Esféricos Cóncavos
En los espejos esféricos cóncavos, solo los rayos de luz paralelos que inciden próximos al eje óptico convergen en el foco. Matemáticamente y geométricamente, una superficie esférica puede aproximarse a una parabólica en la zona cercana al eje de la parábola (conocido como eje óptico). La zona paraxial es aquella donde las distancias al eje óptico son pequeñas en comparación con el radio del espejo.
La Refracción de la Luz
La refracción de la luz es el cambio de dirección que experimentan los rayos luminosos al pasar de un medio a otro con diferente velocidad de propagación.
Leyes de la Refracción (Ley de Snell)
- Primera Ley de la Refracción: El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie se encuentran en el mismo plano.
- Segunda Ley de la Refracción: La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es siempre constante para dos medios determinados, y es igual a la relación entre el índice de refracción del segundo medio y el índice de refracción del primer medio (n1 sen θ1 = n2 sen θ2).
Aplicaciones y Fenómenos Relacionados
Algunas aplicaciones y fenómenos relacionados con la luz incluyen:
- Fuentes luminosas
- Prismas de reflexión total
- Fibras ópticas
Un prisma óptico es un medio transparente limitado por dos caras planas y no paralelas.
Lentes Ópticas
Una lente es un cuerpo transparente que posee al menos una de sus dos caras curvas, o una plana y otra curva.
Tipos de Lentes Esféricas
Las lentes esféricas son aquellas cuyas superficies son segmentos de esferas.
- Lentes Convergentes: Concentran los rayos de luz paralelos en un punto focal.
- Lentes Divergentes: Dispersan los rayos de luz paralelos, haciéndolos parecer que provienen de un punto focal virtual.