Vemos los objetos porque la luz que emiten o reflejan llega a nuestros ojos. Un espejo nos devuelve nuestra imagen, una cuchara dentro de un vaso de agua parece quebrada y un prisma separa la luz blanca en colores. Todos estos fenómenos se explican conociendo la naturaleza de la luz y dos de sus comportamientos: la reflexión y la refracción.
¿Qué es la luz? Durante siglos se discutió si la luz estaba formada por partículas (Newton) o era una onda (Huygens). Hoy sabemos que tiene una naturaleza dual: se propaga como una onda electromagnética, que no necesita medio material y puede viajar por el vacío, y al interaccionar con la materia se comporta como si estuviera formada por partículas llamadas fotones. En el vacío viaja a c ≈ 3 · 10⁸ m/s; en cualquier otro medio va más despacio. La luz visible es solo una pequeña parte del espectro electromagnético (longitudes de onda de unos 400 a 700 nm).
En un medio homogéneo la luz se propaga en línea recta, y por eso se forman sombras y penumbras. Para representarla usamos rayos.
Reflexión. Es el cambio de dirección que sufre la luz al chocar con una superficie y volver al medio del que procedía. Se cumplen dos leyes:
Si la superficie es lisa (un espejo) la reflexión es especular y se forman imágenes; si es rugosa, la luz sale en todas direcciones (reflexión difusa), y gracias a ella vemos los objetos que no emiten luz.
Refracción. Es el cambio de dirección que sufre la luz al pasar de un medio a otro en el que viaja a distinta velocidad. Cada medio tiene un índice de refracción n = c / v (sin unidades y siempre mayor o igual que 1): aire ≈ 1, agua ≈ 1,33, vidrio ≈ 1,5. La ley de Snell relaciona los ángulos:
Cuando la luz pasa de un medio de mayor índice a otro de menor índice, existe un ángulo límite a partir del cual ya no hay refracción y toda la luz se refleja: es la reflexión total, en la que se basa la fibra óptica. Además, como el índice depende ligeramente del color, un prisma separa la luz blanca en colores (dispersión), igual que ocurre en el arcoíris.
Ejemplo 1. La luz viaja en un vidrio con n = 1,5. ¿A qué velocidad? v = c / n = 3 · 10⁸ / 1,5 = 2 · 10⁸ m/s.
Ejemplo 2. Un rayo pasa del aire (n = 1) a ese vidrio con un ángulo de incidencia de 30°. Por la ley de Snell: 1 · sen 30° = 1,5 · sen r → sen r = 0,5 / 1,5 = 0,333 → r ≈ 19,5°. El rayo se acerca a la normal, como corresponde al pasar a un medio de mayor índice.
Según la ley de la reflexión de la luz, el ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión, medidos respecto a la normal, son:
La luz viaja a 3·10⁸ m/s en el vacío y a 2·10⁸ m/s dentro de un determinado medio transparente. ¿Cuál es el índice de refracción de ese medio?
La luz es una onda electromagnética que se propaga a 3 x 10^8 m/s en el vacío (c).
Desde las ondas de radio (baja frecuencia) hasta los rayos gamma (alta frecuencia). La luz visible es solo una pequeña parte (400-700 nm).
Cuando la luz choca con una superficie reflectante, se cumple la ley de la reflexión: el ángulo de incidencia = ángulo de reflexión.
Cuando la luz pasa de un medio a otro, cambia de velocidad y se desvía. Ley de Snell:
n_1 x sen(alfa_1) = n_2 x sen(alfa_2)
donde n = índice de refracción del medio (n_vacío = 1, n_agua = 1.33, n_vidrio = 1.5 aprox.)
Cuando la luz pasa de un medio de mayor índice de refracción a uno de menor índice con un ángulo superior al ángulo crítico, se refleja totalmente. Base de la fibra óptica.
Repasa los conceptos principales de esta lección. Intenta explicar con tus propias palabras lo que has aprendido sobre Naturaleza de la luz, reflexión y refracción.
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