Óptica Geometrica Reflexión y Refracción

NSTITUCIÓN EDUCATIVA BACHILLERATO PATÍA Guía Didáctica Tema: Óptica
SEDE CENTRO Área: Física 30/08/2021
Guía Didáctica ÓPTICA GEOMETRÍCA

Institución Educativa Bachillerato Patía
Docente: Ing. Carlos Eduardo Mosquera Noguera
Objetivo de aprendizaje:
1. Conocer las teorías sobre la naturaleza de la luz y Determinar las características de la

propagación de la luz.
2. Estudiar a la luz a través de la óptica geométrica para ilustrar con dibujos, imágenes formadas
con la reflexión y refracción.
3. Resolver ejercicios y problemas de aplicación.
PRESENTACIÓN
La Óptica es la rama de la Física que estudia la luz: su naturaleza, los fenómenos relacionados
con ella, y cómo podemos manipularla y construir instrumentos ópticos. La asignatura
Óptica I está dedicada, en concreto, al estudio de las leyes de propagación de la luz
mediante un modelo basado en relaciones geométricas. (Queda para cursos posteriores el
estudio de los aspectos ondulatorios y cuánticos de la luz).
El alumno adquirirá con esta asignatura conocimientos y destrezas prácticas sobre:

naturaleza y propagación de la luz, trayectorias y rayos, leyes de la reflexión y la refracción,
dispersión cromática y colores, elementos ópticos como prismas, láminas, espejos y lentes,
e instrumentos como telescopios y microscopios. Aprenderá los principios de la formación
de imágenes y de la visión, y nociones básicas de óptica aplicada a la tecnología. También
logrará una formación transversal que tiene que ver con la ética y rigor científico, y con la
actitud ante la resolución de problemas, entre otros aspectos.
SECCIÓN 1 REFLEXIÓN DE LA LUZ

PREGUNTAS PROBLEMATIZADORAS
1. ¿Cómo es que vemos?

............................................................................................................................. ....................................
.................................................................................................................................................................
............................................................................................................................. ....................................
2. ¿Qué es eso que llamamos luz y que entra por nuestros ojos y ocasiona la sensación de la vista?
............................................................................................................................. ....................................
.................................................................................................................................................................
............................................................................................................................. ....................................
3. ¿De qué manera se comporta la luz para que podamos ver todo lo que hacemos?
............................................................................................................................. ....................................
.................................................................................................................................................................
............................................................................................................................. ....................................
OPTICA. (Varias definiciones)
“Es el estudio de todas las radiaciones emitidas por las fuentes luminosas que impresionan a la retina”.
“Es la ciencia que estudia las propiedades de la luz”.
“Es el estudio del comportamiento de los haces luminosos en los
instrumentos ópticos, sin tener en cuenta el carácter ondulatorio de la luz”.
OPTICA GEOMÉTRICA
Permite realizar construcciones geométricas, y así analizar el

comportamiento de la luz en los instrumentos ópticos, pero considerando
únicamente los rayos luminosos (Ver Fíg. 1)
Fig. 1
NATURALEZA DE LA LUZ
Según el diccionario la palabra luz proviene del latín lux – lucius y significa la radiación electromagnética en
el espectro visible. La luz se define como la superposición de un gran número de ondas cuya vibración
eléctrica está orientada al azar.
Teorías asociadas a la Luz

A través de la historia, los físicos han ido evaluando y aceptando diferentes teorías acerca de la luz,
comenzando en el siglo XVII con el físico Isaac Newton.
I. Newton: la luz es un haz de partículas, trabajo que

desarrollo entre 1670 y 1672. Newton demostró que
la luz blanca estaba formada por una banda de colores
que podían separarse por medio de un prisma. (Ver
figura 2)
II. Huygens: La luz es una onda. El principio de Fíg. 2

Huygens es un método de análisis aplicado a los
problemas de propagación de ondas. Afirma que todo punto de
un frente de onda inicial puede considerarse como una fuente de
ondas esféricas secundarias que se extienden en todas las
direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda
que el frente de onda del que proceden. Este principio fue
formulado alrededor de 1673 por el físico holandés (Ver Fíg. 3)
III. Planck: La luz como quantum (paquetes compactos de Energía).

Esta teoría fue formulada por el físico polaco cerca de 1905, Fíg. 3
cuando publica sus estudios acerca de la mecánica cuántica.
IV. Broglie: La luz como una dualidad onda-corpúsculo. Este trabajo fue
desarrollado en 1923, y habla acerca de cómo la luz puede cumplir
ambos roles, vale decir, puede comportarse como una onda, y a su vez
como corpúsculo (Fíg. 4)
CARACTERÍSTICAS DE LA LUZ:
• Velocidad finita: Actualmente el valor exacto aceptado para la velocidad de Fíg. 4
la luz en el vacío es de 299.792.458 m/s.
• La velocidad de la luz al propagarse a través de la materia es menor que a través del vacío y depende
de las propiedades dieléctricas del medio y de la energía de la luz.
• La luz se propaga en línea recta
Fíg. 5
• A causa de la propagación de la luz en línea recta, detrás de un cuerpo opaco queda un espacio
inaccesible para la luz, llamado sombra.
Fíg. 6
• Cada una de las direcciones de la propagación de la luz es un rayo luminoso.

• Un conjunto de rayos que parten de un mismo punto es un haz.
Fíg. 7
REFLEXIÓN DE LA LUZ
Es aquel fenómeno que consiste en el cambio de dirección que

experimenta un rayo de luz (en un mismo medio) al incidir sobre una
superficie que le impide continuar propagándose cambiando de
dirección para continuar su propagación en el medio en el cual se
encontraba inicialmente.
CLASES DE REFLEXIÓN
A) Especular (regular)
Es cuando la superficie se encuentra perfectamente pulida, en este caso,
sí se emiten rayos incidentes paralelos entre si, al cambiar de dirección
se obtienen rayos reflejados que siguen siendo paralelos entre sí.
B) Difusa (irregular)
Es cuando la superficie presenta irregularidades o porosidades, en este caso, al emitir rayos incidentes
paralelos entre sí, estos cambian de dirección obteniéndose rayos reflejados que ya no son paralelos entre
sí.
ELEMENTOS DE LA REFLEXIÓN
A) Rayo Incidente. - Es aquel rayo luminoso que llega a

la superficie.
B) Rayo Reflejado. - Es aquel rayo que aparentemente
sale de la superficie.
C) Normal. - Es aquella línea recta imaginaria
perpendicular a la superficie en el punto de incidencia.
D) Angulo de Incidencia (θi). - Es el ángulo formado
entre el rayo incidente y la normal.
E) Angulo de Reflexión (θr). - Es el ángulo formado entre el rayo reflejado y la normal
LEYES DE LA REFLEXIÓN REGULAR
1° El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran en un mismo plano, el cual es perpendicular
a la superficie reflectante.
2° El valor del ángulo de incidencia es igual al valor del ángulo de reflexión.
Problema de aplicación:
Un rayo de luz incide sobre un espejo horizontal formando un ángulo de 50° con la normal. Sabiendo que
a la derecha de dicho espejo se sitúa otro con el que forma un ángulo de 130°, determina la dirección del
rayo después de reflejarse en este segundo espejo.
Datos
Los datos del enunciado nos permiten representar la
situación inicial como se muestra en la figura
Consideraciones previas
Recuerda que los ángulos de cualquier triángulo suman
180°.
Resolución
Teniendo en cuenta que el ángulo incidente y el ángulo reflejado son el mismo (ley de reflexión), que las
normales forman 90° con cada uno de los espejos, y que la suma de ángulos de un triángulo (rectángulo o
no) es 180°, podemos realizar el siguiente dibujo, que contiene la dirección del rayo reflejado en el segundo
espejo.
SECCIÓN 2 REFRACCIÓN DE LA LUZ
La refracción de la Luz es el cambio de dirección de los rayos de luz que ocurre tras pasar estos de un medio
a otro, en el que la luz se propaga con distinta velocidad, observemos los ejemplos:
Se rige por los siguientes principios o leyes de refracción.
• El rayo incidente, el refractado y la normal a la superficie en el punto de incidencia están en el mismo

plano
• La ley de Snell de la refracción, que marca la relación entre el ángulo de incidencia iˆ, el de refracción rˆ,
y los índices de refracción absolutos de la luz en los medios 1 y 2, n1 y n2, según:
La refracción de la luz ocurre cuando esta pasa de un medio transparente con un determinado índice
de refracción a otro, también transparente, con uno distinto. Observa, en la imagen de la izquierda,
que cuando la velocidad de propagación en el nuevo medio es menor, y por tanto es mayor el índice
de refracción, el rayo se acerca a la normal. En la imagen de la derecha vemos el caso contrario, en el
que el rayo se aleja de la normal.
El índice de refracción es adimensional y es siempre mayor o igual a 1(n≥1); donde tenemos la

siguiente ecuación:
𝑐
𝑛=
𝑣
C*: Rapidez de la luz en el vacío 𝐶 = 3𝑥108 𝑚/𝑠
V*: Rapidez de la luz en el medio, donde deseas calcular ‘n’
Observa cómo lo hace el profesor

Ejemplo 1.
Un rayo de luz cuenta con una longitud de onda en el vacío de 640 nm. Determina su velocidad, tras
penetrar en otro medio cuyo índice de refracción es de 1.45.
Longitud de onda en el vacío: λo = 640 nm

Índice de refracción (absoluto) del medio: n = 1.45
De la propia definición de índice de refracción absoluto podemos despejar la velocidad de la luz en el

segundo medio, sabiendo que la velocidad de la luz en el vacío es de, aproximadamente 𝐶 =
3𝑥108 𝑚/𝑠
Ejemplo 2.
Un haz de luz roja penetra en una lámina de vidrio, de 30 cm de espesor, con un ángulo de incidencia
de 45°. Explique si cambia el color de la luz al penetrar en el vidrio y determine el ángulo de
refracción.
𝑛𝑎𝑖𝑟𝑒 = 1, 𝑛𝑣𝑖𝑑𝑟𝑖𝑜 = 1.3
El color de la luz depende exclusivamente de su frecuencia, y ésta depende sólo del foco, por lo que
no cambia al pasar de un medio a otro. El color del rayo de luz será el mismo.
Ejercicios Propuestos.
1. Calcule la velocidad de la luz en un aceite que tiene un índice de refracción de 1,9. Dato: velocidad de
la luz en el vacío = 300 000 km/s.
2. Un haz de luz pasa del aire a un medio, donde se propaga a 1.5𝑥108 𝑚/𝑠, con un ángulo de
incidencia de 45°. Calcule el ángulo de refracción. Haga el esquema correspondiente.
3. Un frente de ondas viaja con una velocidad de 8 m/s en un medio 1, formando un ángulo de
incidencia de 24° con la vertical ¿Cuál es el ángulo de refracción en el medio 2 si la velocidad del
frente de onda es 16 m/s en el medio 2

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Guía Didáctica ÓPTICA GEOMETRÍCA

1. Conocer las teorías sobre la naturaleza de la luz y Determinar las características de la

El alumno adquirirá con esta asignatura conocimientos y destrezas prácticas sobre:

SECCIÓN 1 REFLEXIÓN DE LA LUZ

1. ¿Cómo es que vemos?

OPTICA. (Varias definiciones)

Permite realizar construcciones geométricas, y así analizar el

Teorías asociadas a la Luz

I. Newton: la luz es un haz de partículas, trabajo que

II. Huygens: La luz es una onda. El principio de Fíg. 2

III. Planck: La luz como quantum (paquetes compactos de Energía).

• Cada una de las direcciones de la propagación de la luz es un rayo luminoso.

Es aquel fenómeno que consiste en el cambio de dirección que

A) Rayo Incidente. - Es aquel rayo luminoso que llega a

LEYES DE LA REFLEXIÓN REGULAR

SECCIÓN 2 REFRACCIÓN DE LA LUZ

Se rige por los siguientes principios o leyes de refracción.

• El rayo incidente, el refractado y la normal a la superficie en el punto de incidencia están en el mismo

El índice de refracción es adimensional y es siempre mayor o igual a 1(n≥1); donde tenemos la

Observa cómo lo hace el profesor

Longitud de onda en el vacío: λo = 640 nm

De la propia definición de índice de refracción absoluto podemos despejar la velocidad de la luz en el

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