Óptica Geométrica

Objetivo de aprendizaje 13.1.A: Describir la luz como un rayo.

• 13.1.A.1 Un rayo de luz es una línea recta perpendicular al frente de onda de una onda luminosa y que apunta en la dirección de propagación de la onda.
  • 13.1.A.1.i Los rayos de luz pueden utilizarse para determinar el comportamiento de la luz en la óptica geométrica, donde se puede despreciar la naturaleza ondulatoria de la luz.
  • 13.1.A.1.ii Los rayos no son suficientes para comprender la dispersión de la luz. En los fenómenos de interferencia y difracción, la naturaleza ondulatoria de la luz es importante.
  • 13.1.A.1.iii Un láser es una fuente común de un haz único de luz coherente y monocromática que puede modelarse como un rayo. La naturaleza ondulatoria de los láseres se abordará en la Unidad 14.
• 13.1.A.2 Los diagramas de rayos representan la trayectoria de la luz antes y después de interactuar con la materia.

Objetivo de aprendizaje 13.1.B: Describir la reflexión de la luz en una superficie.

• 13.1.B.1 La luz que incide sobre una superficie puede ser reflejada.
• 13.1.B.2 La ley de la reflexión establece que el ángulo entre el rayo incidente y la normal (la línea perpendicular a la superficie) es igual al ángulo entre el rayo reflejado y la normal.
  • Ecuación: $\theta_i = \theta_r$
• 13.1.B.3 La reflexión difusa es la reflexión de la luz desde una superficie rugosa y resulta en una luz reflejada en muchas direcciones diferentes, ya que la línea normal a la superficie varía sobre el área sobre la cual incide la luz.
• 13.1.B.4 La reflexión especular es la reflexión de la luz desde una superficie lisa y resulta en una luz reflejada uniformemente desde la superficie, ya que la línea normal a la superficie tiene una dirección aproximadamente constante sobre el área donde incide la luz.

Objetivo de aprendizaje 13.2.A: Describir la imagen formada por un espejo.

• 13.2.A.1 Los rayos de luz incidentes paralelos al eje principal de un espejo cóncavo (convergente) se reflejan hacia un punto común, llamado foco.
• 13.2.A.2 Los rayos de luz incidentes paralelos al eje principal de un espejo convexo (divergente) se reflejan de tal manera que parecen provenir de un punto común detrás del espejo, llamado foco.
• 13.2.A.3 El foco de un espejo plano se encuentra a una distancia infinita del mismo.
• 13.2.A.4 El foco de un espejo esférico puede aproximarse como un punto ubicado en el eje principal del espejo, a mitad de camino entre la superficie del espejo y el centro de su radio de curvatura.
• 13.2.A.5 Una imagen real es formada por un espejo cuando los rayos de luz que emanan de un punto común se reflejan e intersectan posteriormente en otro punto común.
• 13.2.A.6 Una imagen virtual es formada por un espejo cuando los rayos de luz reflejados divergen de tal manera que parecen provenir de un punto común.
• 13.2.A.7 La ubicación de una imagen depende de la distancia focal del espejo y de la distancia entre el objeto y la superficie del espejo.
  • Ecuación: $\dfrac{1}{s_i} + \dfrac{1}{s_o} = \dfrac{1}{f}$
  • 13.2.A.7.i Las ubicaciones del foco de un espejo, de un objeto cercano al mismo y de la imagen del objeto formada por el espejo siguen convenciones de signos que se utilizan para determinar esas ubicaciones con respecto al propio espejo.
  • 13.2.A.7.ii La distancia entre la imagen formada y un espejo plano es igual a la distancia entre el objeto y el espejo plano.
• 13.2.A.8 La magnificación de una imagen formada por un espejo es la relación entre el tamaño de la imagen producida y el tamaño del objeto mismo, y depende de las ubicaciones del objeto y la imagen con respecto al espejo.
  • Ecuación: $|M| = \left| \dfrac{h_i}{h_o} \right| = \left| \dfrac{s_i}{s_o} \right|$
• 13.2.A.9 Los diagramas de rayos pueden utilizarse para determinar la ubicación, el tipo, el tamaño y la orientación de las imágenes formadas por espejos.
  • 13.2.A.9.i Se utilizan típicamente tres rayos principales para encontrar las imágenes formadas por espejos. Los rayos principales son: 1) el rayo paralelo al eje principal, 2) el rayo que se refleja en el centro del espejo donde el eje principal lo intersecta, y 3) el rayo que pasa por el foco del espejo.
  • 13.2.A.9.ii Las imágenes formadas por un espejo pueden ser derechas o invertidas, virtuales o reales, y reducidas, aumentadas o del mismo tamaño que el objeto.

Declaración de límites: AP Física 2 limita el estudio de los espejos a espejos planos, espejos esféricos convexos y espejos esféricos cóncavos.

Objetivo de aprendizaje 13.3.A: Describir la refracción de la luz entre dos medios.

• 13.3.A.1 La refracción es el cambio en la dirección de un rayo de luz a medida que este pasa de un medio a otro.
• 13.3.A.2 La refracción es el resultado del cambio en la velocidad de la luz cuando esta entra en un nuevo medio.
• 13.3.A.3 El índice de refracción de un determinado medio es inversamente proporcional a la velocidad de la luz en dicho medio.
  • Ecuación: $n = \dfrac{c}{v}$
• 13.3.A.4 La ley de Snell relaciona los ángulos de incidencia y refracción de un rayo de luz que pasa de un medio a otro con los índices de refracción de los dos medios.
  • Ecuación: $n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$
  • 13.3.A.4.i Cuando un rayo de luz viaja desde un medio con un índice de refracción más alto hacia un medio con un índice de refracción más bajo, el rayo se refracta alejándose de la normal.
  • 13.3.A.4.ii Cuando un rayo de luz viaja desde un medio con un índice de refracción más bajo hacia un medio con un índice de refracción más alto, el rayo se refracta acercándose a la normal.
  • 13.3.A.4.iii Cuando un rayo de luz incide a lo largo de la normal a una superficie, el rayo transmitido no se refracta.
• 13.3.A.5 La reflexión total interna puede ocurrir cuando la luz pasa de un medio a otro medio con un índice de refracción más bajo.
  • 13.3.A.5.i La reflexión total interna de la luz ocurre más allá de un ángulo crítico de incidencia.
    • Ecuación derivada: $\theta_{\text{critical}} = \sin^{-1}\left( \dfrac{n_2}{n_1} \right)$
  • 13.3.A.5.ii Para los rayos incidentes en el ángulo crítico, el rayo se refracta a 90 grados y viaja a lo largo de la superficie del material.
  • 13.3.A.5.iii Para los rayos incidentes más allá del ángulo crítico, toda la luz se refleja (no hay transmisión de luz al otro medio).

Objetivo de aprendizaje 13.4.A: Describir la imagen formada por una lente.

• 13.4.A.1 Los rayos de luz incidentes paralelos al eje principal de una lente delgada convexa (convergente) se refractarán y convergerán hacia un punto común en el lado transmitido de la lente, llamado foco.
• 13.4.A.2 Los rayos de luz incidentes paralelos al eje principal de una lente delgada cóncava (divergente) se refractarán y divergirán como si provenieran de un foco en el lado incidente de la lente.
• 13.4.A.3 Una imagen real es formada por una lente cuando los rayos de luz que originan en un punto común se refractan de tal manera que se intersectan en otro punto común.
• 13.4.A.4 Una imagen virtual es formada por una lente cuando los rayos de luz refractados divergen de tal manera que parecen haber originado en un punto común.
• 13.4.A.5 Para una lente delgada, la ubicación de una imagen depende de la distancia focal de la lente y de la distancia entre el objeto y el plano medio de la lente, según lo dado por la ecuación de la lente delgada:
  • Ecuación: $\dfrac{1}{s_i} + \dfrac{1}{s_o} = \dfrac{1}{f}$
  • 13.4.A.5.i Las ubicaciones del foco de una lente, de un objeto y de la imagen del objeto formada por la lente siguen convenciones de signos que se utilizan para determinar esas ubicaciones con respecto a la propia lente.
  • 13.4.A.5.ii Las lentes tienen un foco en ambos lados de la lente que depende de la forma de cada lado respectivo de la lente.
• 13.4.A.6 Para una lente delgada, la magnificación de una imagen es la relación entre el tamaño de la imagen producida y el tamaño del objeto mismo, y depende de las ubicaciones del objeto y de la imagen con respecto a la lente.
  • Ecuación: $|M| = \left| \dfrac{h_i}{h_o} \right| = \left| \dfrac{s_i}{s_o} \right|$
• 13.4.A.7 Los diagramas de rayos pueden usarse para determinar la ubicación, tipo, tamaño y orientación de las imágenes formadas por lentes.
  • 13.4.A.7.i Se utilizan típicamente tres rayos principales para encontrar las imágenes formadas por lentes. Los rayos principales son: 1) el rayo paralelo al eje principal, 2) el rayo que pasa por el centro de la lente donde el eje principal intersecta la lente, y 3) el rayo que pasa por el foco de la lente.
  • 13.4.A.7.ii Las imágenes formadas por una lente pueden estar derechas o invertidas, ser virtuales o reales, y ser reducidas, aumentadas o del mismo tamaño que el objeto.