Portada del Tema

Este es el material de óptica que estudiarás en 2º de Bachillerato. Te preparará para entender uno de los fenómenos más fascinantes de la física: la luz y su comportamiento.

Objetivos y Contenidos

Los objetivos específicos que dominarás incluyen diferenciar las teorías históricas sobre la naturaleza de la luz y aplicar las leyes de reflexión y refracción. También aprenderás a estudiar imágenes producidas por espejos y lentes, calcular distancias focales y comprender los fenómenos ondulatorios.

Los contenidos principales se dividen en tres bloques fundamentales: la evolución histórica de las teorías sobre la luz, la aproximación geométrica (que incluye reflexión, refracción y formación de imágenes), y la aproximación ondulatoria con fenómenos como interferencia y difracción.

Dato clave: Estudiarás tanto la óptica geométrica (rayos) como la óptica física (ondas) para tener una visión completa del comportamiento de la luz.

Criterios de Evaluación

Los criterios de evaluación te ayudan a saber exactamente qué se espera de ti. Deberás distinguir entre Óptica Física y Óptica Geométrica, y resumir las diferentes teorías históricas sobre la naturaleza de la luz.

También tendrás que verificar las leyes de reflexión y refracción, determinar imágenes en espejos y lentes, y aplicar la ecuación del constructor de lentes. Un aspecto importante será comprobar experimentalmente cómo se forman las imágenes con lentes delgadas.

Finalmente, deberás analizar cualitativamente fenómenos como interferencias, difracción y polarización, explicando el comportamiento dual de la luz.

Consejo: Practica tanto los cálculos teóricos como la interpretación de experimentos para dominar completamente este tema.

Resumen de Contenidos

Este esquema te muestra la estructura completa del tema. Comenzarás estudiando la evolución histórica de las teorías sobre la luz, desde las ideas griegas hasta las modernas teorías cuánticas.

La aproximación geométrica te enseñará conceptos como rayos, propagación rectilínea, sombras, y las leyes de reflexión y refracción. También estudiarás la formación de imágenes por espejos y lentes, incluyendo instrumentos ópticos como el ojo, la lupa, el microscopio y el telescopio.

La aproximación ondulatoria explora los fenómenos ondulatorios, el espectro electromagnético, los colores, y propiedades como interferencia, difracción y polarización.

Estrategia de estudio: Domina primero los conceptos básicos de cada aproximación antes de pasar a los fenómenos más complejos.

Evolución Histórica: Teorías Clásicas

La historia de las teorías sobre la luz es fascinante y llena de debates científicos. Los antiguos griegos ya consideraban la luz como corpúsculos que formaban rayos luminosos, explicando así la reflexión y refracción.

Isaac Newton defendió la teoría corpuscular en el siglo XVIII, proponiendo que la luz estaba formada por partículas lanzadas a gran velocidad. Esta teoría explicaba bien la propagación rectilínea y la reflexión, pero tenía dificultades con la refracción, ya que predecía mayor velocidad en medios más densos.

Christiaan Huygens propuso la teoría ondulatoria en 1678, considerando la luz como una onda que se propaga a través del "éter". Esta teoría explicaba mejor fenómenos como interferencia y difracción, y predecía correctamente que la luz viaja más rápido en medios menos densos.

Punto clave: El experimento de Foucault en 1850 confirmó que la luz viaja más lentamente en el agua que en el aire, dando la razón a Huygens frente a Newton.

Teorías Modernas de la Luz

La teoría electromagnética de Maxwell (1865) revolucionó la comprensión de la luz al demostrar que es una onda electromagnética transversal. Esto eliminó la necesidad del misterioso "éter" y explicó que la luz se propaga en el vacío a través de campos eléctricos y magnéticos perpendiculares entre sí.

Hertz confirmó experimentalmente las predicciones de Maxwell en 1885, demostrando que las ondas electromagnéticas tienen las mismas propiedades que la luz. Sin embargo, esta teoría no podía explicar el efecto fotoeléctrico ni la emisión de luz por cuerpos incandescentes.

Max Planck introdujo la teoría de los cuantos en 1900, proponiendo que la energía se intercambia en "paquetes" discretos llamados fotones. Einstein desarrolló esta idea explicando el efecto fotoeléctrico en 1905.

De Broglie estableció en 1924 la dualidad onda-corpúsculo, unificando todas las teorías anteriores: la luz se comporta como onda en su propagación y como partícula en su interacción con la materia.

Concepto fundamental: La naturaleza dual de la luz es la clave para entender todos los fenómenos luminosos, desde la reflexión hasta la interferencia.

Ondas Electromagnéticas: Fundamentos

Las ondas electromagnéticas son perturbaciones que se propagan sin necesidad de medio material, consistiendo en campos eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación. Son originadas por cargas eléctricas aceleradas.

Las características principales incluyen que no necesitan soporte material, varían sinusoidalmente según las ecuaciones $E = E_0 sen(\omega t - kx)$ y $B = B_0 sen(\omega t - kx)$, y cumplen la relación $\frac{E}{B} = c$.

La velocidad en el vacío viene dada por $c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_0\mu_0}} = 3 \times 10^8 \text{ m/s}$, donde $\epsilon_0$ es la constante dieléctrica y $\mu_0$ la permeabilidad magnética del vacío.

Como todas las ondas, cumplen la relación fundamental $c = \lambda f$, conectando velocidad, longitud de onda y frecuencia.

Aplicación práctica: El experimento de Hertz con chispas eléctricas demostró por primera vez la transmisión de energía electromagnética a distancia, base de todas las telecomunicaciones modernas.

El Espectro Electromagnético

El espectro electromagnético es la clasificación de todas las ondas electromagnéticas según su longitud de onda o frecuencia. Aunque todas tienen la misma naturaleza, sus efectos y aplicaciones son muy diferentes.

Ondas de radio (longitudes de onda de metros a kilómetros) se usan en telecomunicaciones. Microondas (milímetros a centímetros) tienen frecuencias que coinciden con las vibraciones del agua, por eso funcionan los hornos microondas.

Los rayos infrarrojos entre 1 mm y $10^{-6}$ m son emitidos por cuerpos calientes y se usan en termoterapia. La luz visible ocupa solo una pequeña franja entre 400-700 nm, con el rojo siendo menos energético que el violeta.

Los rayos ultravioleta, X y gamma tienen longitudes de onda muy pequeñas y transportan mucha energía, haciéndolos peligrosos pero útiles en medicina e investigación.

Regla importante: A menor longitud de onda, mayor energía y poder penetrante. Por eso la luz roja se usaba en laboratorios fotográficos y las radiaciones del móvil son inofensivas.

Tipos de Radiación Electromagnética

Ondas de radio tienen las longitudes de onda más largas (desde millones de metros hasta 30 cm) y se producen en circuitos eléctricos. Incluyen ondas largas de radio, AM, FM, televisión y onda corta, todas usadas en telecomunicaciones.

Microondas (30 cm a 1 mm) son producidas por vibraciones moleculares. Su frecuencia coincide con la resonancia del agua, lo que permite la cocción en hornos microondas. También se usan en radar y comunicaciones espaciales.

Rayos infrarrojos 1 mm a $10^{-6}$ m son emitidos por cuerpos calientes debido a oscilaciones atómicas. La mitad de la energía solar son infrarrojos, y se emplean en industria y medicina.

Luz visible $700-400 nm$ es producida por oscilaciones de electrones externos y es detectada por nuestra retina. El rojo corresponde a menor energía (700 nm) y el violeta a mayor energía (400 nm).

Curiosidad: Las calculadoras electrónicas emiten ondas de radio que puedes detectar con una radio AM en frecuencias bajas.

Características de la Luz Visible

La luz visible es la región más estrecha del espectro electromagnético, abarcando solo entre 400-700 nm. Cada color corresponde a una frecuencia específica: violeta $380-450 nm$, azul $450-495 nm$, verde $495-570 nm$, amarillo $570-590 nm$, naranja $590-620 nm$ y rojo $620-750 nm$.

Las frecuencias más bajas (rojo) tienen menor energía, mientras que las más altas (violeta) transportan mayor energía. Esta diferencia energética explica por qué ciertos procesos fotográficos o biológicos son sensibles solo a determinados colores.

La luz blanca es la mezcla de todos los colores del espectro visible. Cuando se descompone usando un prisma, obtenemos todos los colores separados, fenómeno que observamos naturalmente en los arcoíris.

Los rayos ultravioleta (longitudes menores a 400 nm) y los rayos X transportan aún más energía, siendo útiles en medicina pero potencialmente peligrosos para los tejidos vivos.

Aplicación práctica: La descomposición de la luz blanca con prismas es la base del funcionamiento de muchos instrumentos ópticos y del análisis espectroscópico en química.