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