Sebastián Harteneck

54608

TP1

Teoría de la Luz

Camara e iluminación

Gabriel Los Santos

DIS Ds2a

2º

TP 1 Teoría de la luz.

Desarrollar una investigación teniendo como base el origen de la luz como fenómeno

físico y su comportamiento. Dicho trabajo práctico requiere rigor en los datos técnicos

recabados y la confección de gráficas que expliquen el comportamiento de la

luz.Trabajo individual.

Cuestionario:

1. ¿Qué es la luz?

2.Definir y graficar: longitud, frecuencia y amplitud de onda.

3.¿Qué es el espectro electromagnético?

4.Definir y graficar el espectro visible.

5.Definir y graficar: Luz directa. Reflexión. Índice de reflexión. Tipos de reflexión.

6.Definir y graficar: Absorción, transmisión, difusión, difracción.

7.Definir y graficar: Luz incidente.

8.Definir y graficar: Refracción. Ley de Snell.

El material escrito se presentará anillados en formato A4 con tipografía Arial cuerpo 11

e interlineado 1 y ½ y los gráficos correspondientes perfectamente legibles

1- La luz se define como una onda electromagnética que está compuesta por

diminutas partículas llamadas fotones y que nos permite visualizar todo lo que nos

rodea aportando color y sentido a la vista.

Aunque la definición anterior parezca complicada de entender explicaremos paso a

paso cada uno de los conceptos indicados anteriormente en la definición de la luz.

Cuando lanzamos una piedra a un estanque observamos que se crean una serie de

ondas que avanzan por la superficie del agua, al igual que la onda del estanque la luz

es una onda electromagnética, es decir es una onda con una parte eléctrica y otra

parte magnética, que a diferencia de la onda del estanque que necesita el agua como

medio para propagarse las ondas electromagnéticas no necesitan de ningún medio, es

decir avanzan a través del vacio.

Cualquier onda dispone de 4 propiedades o características que las identifica, estas

son la amplitud, la frecuencia, la velocidad y la longitud de onda. La longitud de onda

es la distancia que hay entre 2 crestas o valles de la onda, la luz visible que es

percibida por el ojo humano y que nos permite ver todo los que nos rodea es la parte

de la onda electromagnética que tiene una longitud de onda comprendida entre 380 y

740 nanómetros, por tanto la luz tal y como la entendemos corresponde a una

pequeña porción de longitud de ondas electromagnéticas que emiten fuentes

luminosas como el Sol, las estrellas o las lámparas de tu casa.

Por último los fotones son las partículas fundamentales, indivisibles, sin masa ni carga

que componen la luz, los fotones son como pequeñas bolitas que vibran y se

comportan como una onda cuando se mueven y como una partícula cuando

interacciona con algún cuerpo, siendo por tanto onda y corpúsculo al mismo tiempo.

Los colores que percibimos no son más que sensaciones que el ojo humano interpreta

ante diferentes vibraciones de los fotones, por ejemplo el color rojo corresponde a 4 x

1014 vibraciones por segundo y el color azul corresponde a 6,5 x 1014 vibraciones por

segundo, cuando existen un conjunto de fotones que vibran en diferentes frecuencias

obtenemos una mezcla de todos los colores lo cual nos da como resultado la luz

blanca.

El espectro electromagnético representa las longitudes de onda, frecuencia y energía

que puede adquirir una onda electromagnética, el espectro se encuentra dividido en

diferentes bandas en donde las ondas comparten ciertas características, por ejemplo

tenemos la banda de rayos gamma, ultravioleta, luz visible, infrarrojos o microondas.

En la banda de la luz visible quedan representados en función de la frecuencia

(vibraciones por segundo) o longitud de onda la diferente gama de colores que

compone la luz visible. Puedes observarlo en la imagen inferior.

Este conjunto de pequeñas partículas llamadas fotones que componen la luz,

teóricamente adquieren la velocidad máxima que cualquier partícula del universo

puede alcanzar en el vacio , siendo aproximadamente de 3 x 10 8 m/s, es decir en 1

segundo un foton daría casi 4,5 vueltas alrededor de nuestro planeta Tierra.

Esta velocidad es considerada como una constante universal y se utiliza entre otras

cosas para indicar distancias astronómicas entre estrellas, galaxias o cúmulos, por

ejemplo el planeta Venus está a una distancia de 0.000011 años luz, la estrella más

cercana a nuestro planeta está aproximadamente a 4,3 años luz y la galaxia más

lejana que actualmente se conoce está a unos 13.200 millones de años luz, sin duda

el universo es extraordinariamente grande. 1 año luz equivale a la distancia que

recorre un fotón en un año o lo que es lo mismo 9,46 billones de kilómetros.

2-

La longitud de onda es la distancia real que recorre una perturbación (una onda) en un

determinado intervalo de tiempo. Ese intervalo de tiempo es el transcurrido entre dos

máximos consecutivos de alguna propiedad física de la onda. En el caso de las ondas

electromagnéticas esa propiedad física (que varía en el tiempo produciendo una

perturbación) puede ser, por ejemplo, su efecto eléctrico (su campo eléctrico) el cual,

según avanza la onda, aumenta hasta un máximo, disminuye hasta anularse, cambia

de signo para hacerse negativo llegando a un mínimo (máximo negativo). Después,

aumenta hasta anularse, cambia de signo y se hace de nuevo máximo (positivo). Esta

variación del efecto eléctrico en el tiempo, si la representamos en un papel, obtenemos

"crestas" y "valles" (obtenemos una curva sinusoidal) pero la onda electromagnética

no "tiene" crestas y valles.

Frecuencias de ondas

La frecuencia tiene una relación inversa con el concepto de longitud de onda (ver

gráfico), a mayor frecuencia menor longitud de onda y viceversa. La frecuencia f es

igual a la velocidad v de la onda, dividido por la longitud de onda λ (lambda):

Cuando las ondas viajan de un medio a otro, como por ejemplo de aire a agua, la

frecuencia de la onda se mantiene constante, cambiando sólo su longitud de onda y la

velocidad.

Por el efecto Doppler, la frecuencia es una magnitud invariable en el universo. Es

decir, no se puede modificar por ningún proceso físico excepto por su velocidad de

propagación o longitud de onda.

En física la amplitud de un movimiento oscilatorio, ondulatorio o señal

electromagnética es una medida de la variación máxima del desplazamiento u otra

magnitud física que varía periódica o cuasiperiódicamente en el tiempo. Es la distancia

entre el punto más alejado de una onda y el punto de equilibrio o medio.

3-

Espectro electromagnético

Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de

las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro

electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite

(espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha

radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una huella dactilar.

Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios que, además de permitir

ver el espectro, permiten realizar medidas sobre el mismo, como son la longitud de

onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación.

Diagrama del espectro electromagnético, mostrando el tipo, longitud de onda con

ejemplos, frecuencia y temperatura de emisión de cuerpo negro.

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de

onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz

visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de

onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más

pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el

tamaño del Universo (véase Cosmología física) aunque formalmente el espectro

electromagnético es infinito y continuo.

4-

Espectro visible

Se llama espectro visible a la región del espectro electromagnético que el ojo humano

es capaz de percibir. A la radiación electromagnética en este rango de longitudes de

onda se le llama luz visible o simplemente luz. No hay límites exactos en el espectro

visible: un típico ojo humano responderá a longitudes de onda de 400 a 700 nm,

aunque algunas personas pueden ser capaces de percibir longitudes de onda desde

380 hasta 780 nm.

5-

Luz Directa:

Se denomina luz directa, a la luz en la cual el rayo se dirige desde la fuente de luz

hacia la superficie. Si en el rayo de luz no interfiere ningún obstáculo, al punto en la

superficie se le considera iluminado.

La reflexión es un fenómeno que se produce cuando la luz choca contra la superficie

de separación de dos medios diferentes (ya sean gases como la atmósfera, líquidos

como el agua o sólidos) y está regida por la ley de la reflexión. La dirección en que

sale reflejada la luz viene determinada por el tipo de superficie.

Coeficiente de reflexión

El coeficiente de reflexión es utilizado en física y en Ingeniería cuando se consideran

medios con discontinuidades en propagación de ondas. Un coeficiente de reflexión

describe la amplitud (o la intensidad) de una onda reflejada respecto a la onda

incidente. El coeficiente de reflexión está estrechamente relacionado con el coeficiente

de transmisión.

Reflexión de la luz y sus leyes

La luz es una manifestación de energía. Gracias a ella las imágenes pueden ser

reflejadas en un espejo, en la superficie del agua o un piso muy brillante. Esto se debe

a un fenómeno llamado reflexión de la luz. La reflexión ocurre cuando los rayos de luz

que inciden en una superficie chocan en ella, se desvían y regresan al medio que

salieron formando un ángulo igual al de la luz incidente, muy distinta a la refracción.

Es el cambio de dirección, en el mismo medio, que experimenta un rayo luminoso al

incidir oblicuamente sobre una superficie. Para este caso las leyes de la reflexión son

las siguientes:

1a. ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal, se encuentran en un mismo

plano.

2a. ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Reflexión especular

La reflexión especular se produce cuando un rayo de luz incide sobre una superficie

pulida (espejo) cambia su dirección sin cambiar el medio por donde se propaga;

decimos que el rayo de luz se refleja.

Reflexión Difusa

Cuando un rayo de luz incide sobre una superficie "no pulida", los rayos no se reflejan

en ninguna dirección, es decir se difunden. Esto se puede producir por ejemplo en la

madera.

Reflexión interna total de la luz.

Cuando en la refracción el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico ocurre

lo que se conoce como reflexión interna total. Cálculo del ángulo crítico:

en fórmula:

: ángulo crítico;

: índice de refracción.

Retrorreflexión

La retrorreflexión es la capacidad que tienen algunas superficies que por su estructura

pueden reflejar la luz de vuelta hacia la fuente, sin que importe el ángulo de incidencia

original. Este comportamiento se puede observar en un espejo, pero únicamente

cuando éste se encuentra perpendicular a la fuente; es decir, cuando el ángulo de

incidencia es igual a 90°. Se puede construir un retrorreflector simple colocando tres

espejos ordinarios de forma que todos sean perpendiculares entre sí (un reflector

esquinero). La imagen que se produce es igual a la imagen producida por un espejo

pero invertida. Tal como se observa en la figura, la combinación de las diferentes

superficies hace que el haz de luz sea reflejado de vuelta a la fuente.

Si a una superficie se le aplica una pequeña capa de esferas reflectivas es posible

obtener una superficie con una capacidad limitada de retrorreflexión. El mismo efecto

se puede obtener si se dota a la superficies con una estructura similar a pequeñas

pirámides (reflexión esquinera). En ambos casos, la estructura interna de la superficie

refleja la luz que incide sobre ella y la envía directamente hacia la fuente. Este tipo de

superficies se utilizan para crear las señales de tránsito y las placas de los

automóviles; en este caso particular no se desea una retrorreflexión perfecta, pues se

quiere que la luz retorne tanto hacia las luces del vehículo que emite el haz de luz

como a los ojos de la persona que lo va conduciendo.

Reflexión acoplada compleja

La luz se refleja exactamente en la dirección de la fuente de donde proviene debido a

un proceso óptico no lineal. En este tipo de reflexión, no solo se invierte la dirección de

la luz; también se invierte el frente de la onda. Un reflector acoplado se puede utilizar

para eliminar aberraciones en un haz de luz, reflejándola y haciéndola pasar de nuevo

por el dispositivo óptico que causa la aberración.

Reflexión de neutrones

Materiales que reflejan neutrones, como por ejemplo el berilio, son utilizados en

reactores nucleares y en armas atómicas. En las ciencias físicas y químicas, la

reflexión de neutrones es utilizada para determinar la estructura y composición interna

de un material. refl HD.htm

Reflexión del sonido

Cuando una onda sonora golpea una superficie plana es reflejada de manera

coherente asumiendo que el tamaño de la superficie reflectiva es lo suficientemente

larga con relación a la longitud de la onda que incide. Tómese en cuenta que las

ondas del sonido audible tienen un amplio rango de frecuencias (de 20 Hz hasta

20000 Hz), al igual que la longitud de onda (que pude variar de 20 mm hasta 17 m).

Como resultado, se obtiene que la naturaleza en general, así como el comportamiento

del fenómeno de reflexión varía de acuerdo con la estructura y la textura de las

superficies de reflexión; por ejemplo, una superficie porosa tiende a absorber grandes

cantidades de energía, mientras que una superficie áspera (donde áspero es relativo a

la longitud de onda) reflejará las ondas en todas direcciones dispersando la energía de

la onda, en lugar de reflejar el sonido en forma coherente. Esto nos lleva al campo de

la Acústica arquitectónica, porque la naturaleza de estas reflexiones son críticas para

la sensación del espacio en un auditorio.

Reflexión sísmica

Las ondas sísmicas producidas por terremotos o por otras fuentes tales como

explosiones, pueden ser reflejadas por capas dentro de la Tierra. El estudio de las

ondas sísmicas reflejadas en las profundidades ha dado a los sismólogos la

oportunidad de determinar las capas que conforman la estructura de la Tierra. El

estudio de las ondas sísmicas reflejadas de poca profundidad se utiliza en sismología

por reflexión, que estudia la corteza de la Tierra en general, y en particular para

encontrar posibles yacimientos de petróleo o gas natural.

6-

Absorción: La energía luminosa es absorbida, en parte, por todas las superficies con

las que se pone en contacto y entonces suele convertirse en calor, aunque también

puede trasformarse en otra luz de diferente color y ser emitida de nuevo. El color es el

resultado de un proceso de absorción selectiva de los rayos de luz de determinadas

longitudes de onda. Cuando la luz blanca se proyecta sobre una superficie que

absorbe los rojos y los verdes, el ojo humano percibe el color azul, por ser la única luz

visible que refleja.

Trasmisión: Esta se da cuando la superficie es trasparente, translucida o selectiva:

• Superficie transparente nos da una transmisión directa.

• Superficie translucida nos da una transmisión dispersa.

• Superficie selectiva es aquella que filtra uno o algunos colores.

Difracción: es un fenómeno característico de las ondas que se basa en la desviación

de estas al encontrar un obstáculo o al atravesar una rendija. La difracción ocurre en

todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas

electromagnéticas como la luz visible y las ondas de radio. También sucede cuando un

grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por causa de la difracción,

el haz colimado de ondas de luz de un láser debe finalmente divergir en un rayo más

amplio a una cierta distancia del emisor.

Difusión de la luz

La difusión de la luz (cómo se difunde la luz) puede reducir de forma significativa el

resplandor y deslumbramiento de las diferentes superficies y objetos de una estancia.

Cuanto más difusa y homogénea sea más se evitará el resplandor y deslumbramiento.

La difusión de la luz se puede definir como el índice de la luz reflejada distribuida con

relación a la luz total reflejada. De acuerdo con las medidas DIN 5036, los paneles de

techo en colores claros proporcionan una difusión de la luz del 99%, lo que significa

que prácticamente toda la luz reflejada se puede considerar como distribuida.

7-

LUZ INCIDENTE:

Se conoce como luz incidente aquella que directa o indirectamente incide (llega) al

objeto que estemos fotografiando. Dentro de la luz que incide al objeto, existen fuentes

de luz propia como el sol, una vela, un flash etc, Pero existen superficies que también

rebotan luz hacia el objeto como puede ser una pared cercana, el piso, el techo, etc.

Imaginemos una persona parada al rayo del sol, cerca de una pared blanca y sobre un

césped verde. La fuente directa será el sol, pero hay una gran cantidad de luz que

proviene de la pared y otra menor del césped.

Toda esta luz que llega de diferentes lugares a un mismo punto se conoce como luz

incidental, es medible y es cuantificable.

8-

Refraccion:

La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un

medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la

superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción

distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda

señalada.

Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua:

el lápiz parece quebrado. También se produce refracción cuando la luz atraviesa

capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los

espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión

total. Aunque el fenómeno de la refracción se observa frecuentemente en ondas

electromagnéticas como la luz, el concepto es aplicable a cualquier tipo de onda.

Ley de refracción (Ley de Snell)

La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es

igual a la razón entre la velocidad de la onda en el primer medio y la velocidad de la

onda en el segundo medio, o bien puede entenderse como el producto del índice de

refracción del primer medio por el seno del ángulo de incidencia es igual al producto

del índice de refracción del segundo medio por el seno del ángulo de refracción, esto

es:

• : índice de refracción del primer medio

• : ángulo de incidencia

• : índice de refracción del segundo medio

•

• : ángulo de refracción