Tema 6. Otras formas de transmitirse la energía; la luz.

3.1.1.1. (bis) Refutamos la hipótesis de Pitágoras mediante una experiencia.

Si enciendes una linterna y diriges la luz hacia la pared:

• ¿Existe luz en la pared? ¿De dónde procede?
• ¿Observas luz entre la linterna y la pared? Si espolvoreas ahí polvo de tiza como en la fotografía de la derecha, ¿qué se observa?
• Sustituye la linterna por una per­sona que mire a la pared, y repite lo anterior para comprobar si los rayos que salen de sus ojos iluminan la pared.

Suponemos que habrás refutado la hipótesis de Pitágoras y confirmado que:

• La luz se origina en los cuerpos incandescentes.
• La luz no se capta cuando se propaga, sino solo cuando interacciona con la materia.
• Los ojos no emiten nada; solo captan la luz que reciben.

3.1.2. (bis) La luz en la ciencia

Casi en los comienzos de la ciencia, en el siglo XVII, dos grandes científicos discutieron sobre su naturaleza sin ponerse de acuerdo: Huygens y Newton.

• La teoría ondulatoria de Huygens. Según Huygens, la luz se asemejaba al sonido y, por tanto, debía ser una onda, aunque de distinta naturaleza. Con su teoría pudo explicar casi todas sus propiedades, incluso la razón por la que los rayos de luz pueden cruzarse sin chocar ni estorbarse unos con otros.
• La teoría corpuscular de Newton. Newton no admitía que algo que se propaga en línea recta pudiera avanzar vibrando como una onda, así que pensó que la luz estaría compuesta por unas finas partículas que se movían en línea recta a altísimas velocidades. Había partículas de los distintos colores del espectro: rojas, amarillas, verdes, azules y violetas.

Con esta hipótesis explicó la mayor parte de las propiedades de la luz, como, por ejemplo:

Su propagación rectilínea, su dispersión en los prismas, su reflexión en los espejos.

Pero no pudo dar explicaciones satisfactorias a:
Las interferencias, que él mismo había descubierto en los llamados «anillos de Newton», donde sucedía que, a veces, «luz + luz = oscuridad». Pero, casi todos los científicos aceptaron las ideas de Newton y se olvidaron las de Huygens.

• Vuelta a la teoría ondulatoria. En 1800, el físico inglés Young pudo explicar todos los fenómenos de interferencias, incluidos los anillos de Newton, con la te­oría de Huygens. Maxwell, en 1862, logró explicar la naturaleza de la luz: está formada por ondas electromagnéticas. Veinte años más tarde, Hertz lo demostró en su laboratorio, y generó las primeras ondas de radio (que son una luz que no se ve).
• Vuelta a la teoría corpuscular. El mismo Hertz, que «fabricó» las primeras ondas electromagnéticas, descubrió en 1887 que cuando la luz incide sobre un metal le arranca electrones (efecto fotoeléctrico) base de las placas fotovoltaicas). Él nunca supo explicar por qué, pero en 1905 Einstein explicó que esto se debe a que la luz, en reali­dad, está formada por partículas: los fotones.
•  El fin de la historia... hasta hoy. El desarrollo de una nueva física, llamada mecánica cuántica, y las ideas del físico francés Louis de Broglie, nos enseñaron finalmente que la luz, al igual que toda la materia existente, puede comportarse como onda o como partícula.

La luz, cuando se propaga, lo hace como una onda, pero cuando interacciona con la materia, se comporta como una partícula.

Figura 22. Efexcto fotoelectrico.

Figura 23. Paneles fotoeléctricos (llamados fotovoltáicos)

1.  Como hemos visto, desde las teorías del físico holandés Huygens, en el siglo xvn, hasta hoy, los científicos han cambiado muchas veces de opinión acerca de la naturaleza de la luz.
2. Confecciona una tabla de dos columnas tituladas, respectivamente, «Teorías corpusculares» y «Teorías ondulatorias»  y coloca en cada una de ellas los nombres de los científicos que las han defendido.
3. ¿Podemos decir, después de analizar los contenidos de estas dos páginas, que los científicos se equivocan? Arguméntalo detenidamente.
4. A la derecha tienes seis retratos. Asocia cada uno de ellos con su nombre (todos ellos han sido citados en el texto de estas dos páginas). Puedes ayudarte de Internet para realizar esta actividad.

La luz es una onda electromagnética que surge de los átomos con alto contenido energético, y se propaga por el vacío a la velocidad de 300 000 km/s.
Esta velocidad es la máxima que existe; nada puede propagarse en el universo a una velocidad superior.
Sin embargo, cuando la luz se propaga a través de medios materiales como el aire, el agua, ciertos cristales o vidrios, siempre lo hace con una velocidad menor. En el diamante, por ejemplo, «sólo» se propaga a 124 000 km/s.
Dependiendo de su frecuencia, hay distintos tipos de ondas electromagnéticas: ondas de radio, microondas, rayos infrarrojos, luz visible, rayos X, rayos γ.
La luz, como onda que es, transporta energía, sin transportar materia, desde los átomos que la generan a los que la absorben.

• ¿Sabrías decir a qué distancia se encuentra el Sol de la Tierra si su luz tarda 8,3 minutos en llegar hasta nosotros?
• Fíjate en la gráfica; ¿sabrías decir qué radiación es la de mayor frecuencia?
• ¿Sabrías decir para qué se utiliza cada uno de los tipos de onda que se indican en el gráfico?

Para ver la imagen mejor pasa el puntero del raton por encima de ella.

La luz no necesita ningún medio material para su propagación; es más, los medios materiales ofrecen resistencia al paso de la luz; prueba de ello es la menor velocidad de transmisión a que antes aludíamos. Otros materiales absorben total o parcialmente la luz.
Clasificación de los materiales según su comportamiento frente a la luz:

• Transparentes. Dejan pasar la luz, y nos permiten ver imágenes a través de ellos; es el caso del vidrio, el agua, el aire, etc.
• Traslúcidos. Estos medios dejan pasar la luz, pero no nos permiten ver imágenes. Es el caso de la niebla, las nubes, el humo, los vidrios esmerilados y muchos plásticos.
• Opacos. No permiten el paso de la luz. Medios opacos son, por ejemplo, las rocas, la madera o nosotros mismos.
• Hay que tener en cuenta que algunos materiales dejan pasar unas radiaciones, pero no otras. Así, un vidrio azul deja pasar la luz de este color, pero no la roja. Nuestro cuerpo es traslúcido para los rayos X, hecho que se aprovecha en medicina..

3.3.1. La sombra y la penumbra

La propagación rectilínea de la luz se pone de manifiesto en la formación de sombras y penumbras que proyectan los objetos al ser iluminados.

Observa que si el foco es pequeño (como la rendija delante de una bombilla) o si está muy lejos del objeto (como el Sol), la sombra es nítida. Imagen de la derecha arriba.

Si el foco es grande y está cerca del objeto, se formará, además de la sombra, una zona de penumbra.

1. De acuerdo con lo explicado y analizando los esquemas dibujados, explica en tu cuaderno por qué crees que en un caso se forma penumbra y en otro no.

La propagación rectilínea de la luz se puede observar en muchos fenómenos naturales.

Uno de los primeros fenómenos ópticos que se observaron fue la formación de sombras, que acabamos de ver; otro, los eclipses.

Recuerda que en un eclipse de Sol (abajo), la Luna se interpone entre el Sol y la Tierra, y que, en uno de Luna (arriba), es la Tierra la que se interpone entre ella y el Sol.

Leyes de la reflexión de ondas:

• Primera ley. El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en el mismo plano.
• Segunda ley. El ángulo de incidencia y el de reflexión son iguales.

Para ver la imagen mejor pasa el puntero del raton por encima de ella.

Debemos distinguir entre reflexión especular y reflexión difusa:

• Reflexión especular. Cuando la luz se refleja sobre una superficie pulida, como la de un espejo, puede formar imágenes, de acuerdo con las leyes de la reflexión.
• Reflexión difusa o difusión. Cuando la superficie reflectora presenta irregularidades, los rayos de luz salen reflejados en todas direcciones.

 Salvo los espejos, los demás objetos presentan este tipo de reflexión difusa.

Cuando miramos los objetos que nos rodean, los vemos gracias a esta luz difusa que reflejan.

Si un objeto no reflejara la luz, no lo veríamos; se nos mostraría como un objeto absolutamente negro.

La luz se refleja en las superficies pulimentadas, y se difunde en las superficies rugosas.

Sí viajas en coche m una carretera mojada durante la noche, la superficie de la carretera se  vuelve casi pulida. La luz de los faros se refleja como en un espejo y no vuelve a tus ojos. Por eso, apenas se ve la carretera; solo, las seña/es.

3.4.2. Los objetos como fuentes de luz

Fuentes primarias de luz son los objetos que emiten luz por sí mismos, como el Sol, las estrellas, las bombillas, etc.

Fuentes secundarias de luz son los objetos que reflejan la luz que reciben de otros objetos, sistemas o cuerpos.

Dos ejemplos de refracción:

Cuando introducimos un lápiz en un vaso con agua, se observa como si se hubiese doblado.

Si pones una lupa a la luz del Sol, verás que los rayos cambian de dirección al pasar por ella.

Se produce refracción cuando la luz pasa de un medio a otro donde se propaga con distinta velocidad.

Definición: La refracción de la luz consiste en el cambio de dirección que experi­menta un rayo de luz al pasar de un medio de propagación a otro.

Leyes de la refracción de ondas:

• Primera ley. El rayo incidente (I), la normal   (N) y el rayo refractado (R) están en el mismo plano.
• Segunda ley. El ángulo de refracción (`) es menor que el ángulo de incidencia ( î ) cuando la onda pasa de un medio en el que se desplaza a mayor velocidad a otro en el que su velocidad es menor y al contrario.

Vemos los objetos de un color determinado porque absorben la luz de todas las frecuencias, excepto la que corresponde al color que vemos, que es reflejada.

Esta frecuencia es la que llega a nuestro ojo, y nuestro cerebro la interpreta como el color del objeto.

Pero los objetos no tienen color. Solo reflejan ondas luminosas de determinadas frecuencias y absorben el resto.

• Si un objeto no absorbe ninguna frecuencia de ondas luminosas, sino que las refleja, nuestro cerebro lo interpreta como blanco.
• Si, por el contrario, las absorbe todas, lo interpreta como negro.
• Cuando no hay ONDAS DE FRECUENCIAS VISIBLES (luz) que se pueda reflejar en los objetos… TODO SE VE NEGRO.

La refracción de la luz y, por tanto, la desviación que se produce, no es la misma para todas las frecuencias, para todos los «colores».

Las ondas de frecuencias más altas (violeta, azul) se desvían más que las de frecuencias bajas (amarillo, rojo). Por esta razón se produce la dispersión de la luz blanca.

Dispersión de la luz: es cuando al refractarse se separan las ondas de distintas frecuencias, los distintos colores del arco iris. (Se llama espectro de luz blanca)

El arco iris es un buen ejemplo natural de este fenómeno, que se produce cuando la luz solar se descompone en las gotas de lluvia.

Isaac Newton fue quien comprobó el fenómeno de la dispersión al atravesar la luz blanca un prisma, demostrando así que la luz blanca estaba compuesta, en realidad, por todos los colores del espectro.

Aplicando de modo impecable el método científico, pensó que si la luz blanca se podía descomponer en los colores del arco iris, combinándolos del modo adecuado podría obtener el color blanco. Para demostrarlo, ideó un disco giratorio coloreado con los siete colores del espectro, y observó que, al hacerlo girar a veloci­dad muy alta, los colores desaparecían, viéndose tan solo el color blanco.

4.2.1. Imágenes en pantallas: imágenes reales

Coloca un flexo y, frente a él, una caja con un orificio de 4 cm de diámetro y la pared opuesta de papel de seda. Al encenderlo, verás en la cara posterior de esta un círculo iluminado, y el resto en sombra. Si añades otra caja con un agujero pequeño y oscureces la habitación, habrás construido una cámara oscura, y comprobarás que si gradúas adecuadamente la distancia entre la bombilla y el agujero aparecerá la imagen de la bombilla invertida.

Si colocas la mano en lugar de la pantalla, la imagen se formará sobre ella: es como si la pudieras «tocar».

Definición: Llamamos imágenes reales a las que pueden formarse sobre una pantalla pero no se captan directamente con nuestros ojos..

Las imágenes reales están siempre invertidas, de arriba abajo y de izquierda a derecha, respecto del objeto.
Si te colocas tú en el lugar de la pantalla donde se refleja la imagen no verás imagen alguna, solo un orificio por el que sale luz.

Cuando te colocas delante de un espejo, parece que tu imagen reflejada está detrás del espejo, pero sabemos bien que ahí ni siquiera hay luz.

Nuestro ojo puede captar esa imagen, y una cámara fotográfica también, pero no puede proyectarse sobre una pantalla, no se puede «tocar».

Definición: Imágenes virtuales son las que se pueden captar con nuestros ojos pero no se forman en una pantalla, no pueden proyectarse.

Las imágenes virtuales de los espejos están invertidas de atrás adelante, perpendicularmente al espejo, pero no de arriba abajo ni de izquierda a derecha.

La imagen virtual no se puede hacer coincidir con el objeto que la produce.

Los espejos pueden etner diferentes formas, los más comunes son los planos, pero también se uusan mucho los concavos, retrovisores de los coches, y los convexos, espejos de tocador.

Tienes que aprender cómo se forman las imágenes en espejos, para ello, pincha aquí. Caerá en el examen.

Definición: Una lente es un vidrio, o un plástico transparente, que tiene una forma geométrica semejante a una lenteja (de ahí su nombre), con las caras en forma de casquetes esféricos.

Se utilizan para construir diversos instrumentos ópticos: cámaras fotográficas, microscopios, telescopios, prismáticos, gafas, etc.

El cristalino de nuestro ojo es también una lente.

El funcionamiento de las lentes se basa en el fenómeno de la refracción de la luz, y pueden clasificarse en dos grandes grupos: convergentes y divergentes, dependiendo de su comportamiento.

Son más gruesas en el centro que en los extremos.

Su característica esencial es que hacen converger (centrar) en un punto los rayos de luz paralelos que penetran en ellas.
Este punto de convergencia se denomina foco de la lente.

Si miras a través de ellas, las cosas se ven más grandes.

Un ejemplo lo tienes en la lupa que, a veces, se utiliza para ver cosas pequeñas (monedas, sellos).
También se utilizan para compensar la hipermetropía. (Enfermedad ocular)

Son más delgadas en el centro que en los extremos.

Su característica esencial es que hacen divergir (separar) los rayos de luz que llegan paralelos.

Los rayos, tras atravesar la lente, divergen (se separan) como si procedieran de un punto, llamado foco, situado delante de la lente.

Si miras a través de ellas, verás los objetos más pequeños. Se utilizan para compensar la miopía (Enfermedad ocular) y para construir instrumentos ópticos.

1. ¿Por qué las furgonetas de emergencias (ambulancias, bomberos, policía...) llevan en la parte delantera las letras escritas al revés?
2. ¿Qué pasaría si una máquina de cine se estropeara y proyectara doce imágenes por segundo?
3. Las lentes convergentes se clasifican en biconvexas, planoconvexas y cóncavoconvexas, y las divergentes, en convexocóncavas, bicóncavas y planocóncavas. Averigua cómo es cada una de ellas y dibújalas en tu cuaderno.
4. ¿Cuáles son las diferencias entre las imágenes reales y las virtuales? La imagen de un televisor, ¿es real o virtual?
5. ¿Qué diferencia las lentes convergentes de las divergentes?
6. Coloca sobre tu mesa un espejo de modo que veas en éi tu mano derecha dibujando sobre un papel. Tapa ahora tu mano con un cartón de manera que solo puedas verla reflejada en el espejo. En estas condiciones, intenta dibujar un rectángulo con sus dos diagonales. ¿Qué ocurre?

El ojo os semejante a una cámara fotográfica, solo que de una complejidad y perfección extraordinarias.
El ojo se regula automáticamente para adaptarse a la luminosidad ambiental y a la distancia a que se encuentra el objeto de nuestro interés. Está formado por:

1. La córnea. Es un tejido transparente que protege a la pupila y al resto del ojo.
2. El Iris. Es un músculo con forma de disco perforado en su centro (un diafragma en una cámara fotográfica) que se regula automáticamente de acuerdo con la luz ambiental. La pequeña abertura que deja pasar la luz al interior del ojo se llama pupila.
3. El cristalino. Es una lente convergente que modifica su curvatura de manera automática para que la imagen que se forme en la retina quede enfocada. Con la edad pierde capacidad y se produce la presbicia, no enfoca a objetos cercanos (vista cansada).
4. El humor vítreo. Es un líquido viscoso y transparente que rellena todo el interior del ojo.
5. La retina. Es un tejido, situado en la parte posterior del ojo, formado por neuronas y terminaciones nerviosas. Las terminaciones están formadas por pequeñas células que transforman la luz en impulsos eléctricos, transmitiéndose, a través del nervio óptico, hasta el cerebro, donde se produce la visión. Hay dos clases de estas células:

1. Los bastones. Envían señales al cerebro cuando captan las ondas luminosas. El cerebro forma con estas señales una imagen sin color (en blanco y negro).
2. Los conos. Son capaces de diferenciar la distinta frecuencia de las ondas luminosas, lo que nuestra mente interpreta como color. Con las señales de los conos, nuestro cerebro «colorea» la imagen creada por los bastones.
3. Algunos animales ven muy bien de noche porque tienen muchos más bastones que conos, pero no distinguen los colores, otros vemos muy bien los colores pero de noche vemos muy mal.
4. Mácula: (Obtenido de Wikipedia) La mácula (del latín macula = mancha) también llamada mácula lutea, es la zona de la retina especializada en la visión fina de los detalles, nos sirve entre otras cosas para poder leer y distinguir las caras de las personas.

Se localiza en la parte posterior de la retina y tiene una extensión aproximada de 5 mm de diámetro, quedando limitada verticalmente por las arcadas temporales. Se encuentra por lo tanto temporal al disco óptico. La retina a este nivel tiene unas peculiaridades histológicas e histoquímicas que la diferencian del resto de la retina:

• Mayor grosor.
• Ausencia de bastones, tan solo existen conos
• El número de conos es muy elevado, llegando a tener una densidad de 140.000 conos/mm2
• Epitelio pigmentario más denso
• Gran contenido en pigmentos xantofílicos como la Luteína y la Zeaxantina, los cuales parece ser que tienen entre otras una función protectora frente a los fototraumatismos.

5.2.2. La miopía

En un ojo con miopía, la imagen se forma delante de la retina.
Puede compensarse con lentes divergentes

5.2.2. La hipermetropía

En el ojo hipermétrope la imagen se forma detrás de la retina; este defecto se puede compensar con lentes convergentes.

5.2.3. El Astigmatismo

El astigmatismo consiste en que las imágenes aparecen distorsionadas. Se debe a que la córnea está algo deformada y no tiene la forma esférica perfecta; se corrige con lentes cilíndricas.

(Las lentes cilíndricas son lentes que tiene un eje de tallaje, y posee dos radios distintos de curvatura, y por lo tanto, dos potencias distintas. Para que nos aclaremos: este tipo de lentes se utilizan para corregir el astigmatismo. Este error refractivo se caracteriza por tener dos errores distintos. Para que lo entiendas mejor, te pongo un ejemplo: una persona que tiene un astigmatismo de "- 2.25 a 180" Eso significa que a un eje (180) es como si tuviese una miopía de -2.25 D, y en el otro eje (90) viese perfectamente.
La imagen que producen estas lentes son deformadas, dependiendo donde se encuentre el eje del cilindro. Según se gira se deforma en forma de elipse.
Espero haberte ayudado. si tienes alguna otra pregunta, no dudes en preguntar. Un saludo.

Fuente:
http://www.todoexpertos.com/categorias/ciencias-e-ingenieria/optica/respuestas/345638/lentes-cilindricas)

Han crecido tanto las ciudades y la cantidad de luces que utilizamos para iluminarlas que la luz sobrante ilumina la atmósfera, cargada de polvo, y las nubes que cubren las ciudades.
Por ello, a fin de contemplar la belleza de un cielo estrellado, hay que alejarse de las ciudades muchos km y buscar parajes solitarios.
Peor aún es el problema para los astrónomos, que no pueden traspasar con sus te­lescopios una atmósfera ocupada por una neblina luminosa.
Incluso los biólogos han detectado que esta luminosidad nocturna per­judica a muchos animales. Tortugas recién nacidas que se adentran en las costas guiadas por las luces nocturnas, en vez de dirigirse al mar.
Es preciso tomar medidas que lo eviten; por ejemplo, colocando pantallas reflectoras sobre las luces de las calles, disminuyendo los puntos de luz, etc., lo que producirá un considerable ahorro de energía.