Grado 11
  1. Mecánica  1.1. dinámico  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y rapidez  1.1.5. Aceleración y desaceleración  1.1.6. Análisis gráfico del movimiento  1.1.7. Ecuaciones del movimiento (deducciones avanzadas)  1.1.8. Caída libre y velocidad terminal  1.1.9. Movimiento de proyectiles  1.1.10. Velocidad relativa en una y dos dimensiones  1.1.11. Movimiento de un coche en un plano inclinado  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton y sus aplicaciones  1.2.2. Inercia y la primera ley de Newton  1.2.3. Fuerza y tipos de fuerza  1.2.4. Fricción estática y cinética  1.2.5. Movimiento circular y aceleración centrípeta  1.2.6. Movimiento circular no uniforme  1.2.7. Peralte de carreteras y curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservación del momento en una y dos dimensiones  1.2.10. Aplicaciones de la Tercera Ley de Newton  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por una fuerza constante y variable  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética y potencial  1.3.4. Energía potencial gravitacional y elástica  1.3.5. Conservación de la energía mecánica  1.3.6. Energía y potencia instantánea  1.3.7. Eficiencia de las máquinas  1.3.8. Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas  1.4. Movimiento rotacional  1.4.1. Torsión y aceleración angular  1.4.2. Equilibrio rotacional  1.4.3. Momento de inercia y sus aplicaciones  1.4.4. Momento angular y su conservación  1.4.5. Energía cinética del movimiento de rodadura y rotación  1.4.6. Teorema del Eje Paralelo y Perpendicular  1.4.7. Dinámica del movimiento rotacional
  2. Fuerza gravitacional  2.1. Gravitación universal  2.1.1. La ley de gravitación universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional y potencial  2.1.3. Cambio en la aceleración debido a la gravedad  2.1.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  2.1.5. Mecánica orbital y satélites  2.1.6. Velocidad de escape y velocidad orbital  2.1.7. Ingravidez y caída libre  2.1.8. Energía potencial gravitacional y energía en órbitas  2.1.9. Agujeros negros y lente gravitacional
  3. Propiedades de la materia  3.1. Mecánica de fluidos  3.1.1. Densidad y presión en líquidos  3.1.2. La teoría de Pascal y sus aplicaciones  3.1.3. Principio de Arquímedes y Flotabilidad  3.1.4. Ecuación de Bernoulli y sus aplicaciones  3.1.5. Ecuación de continuidad y el efecto Venturi  3.1.6. Tensión superficial y capilaridad  3.1.7. Viscosidad y la Ley de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds y turbulencia  3.2. Elasticidad y deformación  3.2.1. La ley de Hooke y la relación tensión-deformación  3.2.2. Módulo de elasticidad y aplicaciones  3.2.3. Deformación y límite elástico de los sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor y temperatura  4.1.1. Propiedades termométricas y escala de temperatura  4.1.2. Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases  4.1.3. Sistema de transferencia de calor  4.1.4. Capacidad calorífica específica y calorimetría  4.1.5. Calor latente y cambio de fase  4.2. Teoría cinética de los gases  4.2.1. Modelo molecular de los gases  4.2.2. Explicación cinética de la temperatura  4.2.3. Ecuación de Gas Ideal y Desviaciones  4.2.4. Camino libre medio y distribución de Maxwell–Boltzmann  4.3. Leyes de la Termodinámica  4.3.1. Zeroth Law y Equilibrio Térmico  4.3.2. Primera Ley y Energía Interna  4.3.3. La Segunda Ley y la Entropía  4.3.4. Ciclo de Carnot y motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores y bombas de calor
  5. Ondas y oscilaciones  5.1. Movimiento Armónico Simple  5.1.1. Ecuaciones del MHS  5.1.2. Energía en MAS  5.1.3. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  5.1.4. Resonancia y aplicaciones  5.1.5. Péndulo y sistema masa-resorte  5.2. Movimiento ondulatorio  5.2.1. Tipos de ondas mecánicas  5.2.2. Movimiento ondulatorio y transporte de energía  5.2.3. Principio de Superposición y Ondas Estacionarias  5.2.4. Reflexión, Refracción y Difracción  5.2.5. Efecto Doppler en sonido y luz  5.2.6. Pulsaciones e interferencia
  6. Electricidad y Magnetismo  6.1. Electrostática  6.1.1. Carga eléctrica y conservación  6.1.2. La ley de Coulomb y sus aplicaciones  6.1.3. Campo eléctrico y flujo eléctrico  6.1.4. Potencial eléctrico y energía potencial  6.1.5. Capacitancia y energía almacenada en un condensador  6.2. Electricidad Corriente  6.2.1. La ley de Ohm y la resistencia eléctrica  6.2.2. Resistividad y dependencia de la temperatura  6.2.3. Leyes de Kirchhoff y análisis de circuitos  6.2.4. Potencia eléctrica y eficiencia  6.2.5. Combinación de resistencias  6.3. Magnetismo y electromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos y sus fuentes  6.3.2. Fuerza magnética sobre cargas en movimiento  6.3.3. Inducción electromagnética  6.3.4. Leyes de Faraday y Lenz  6.3.5. Inductancia y Transformador  6.3.6. Corriente alterna y sus aplicaciones
  7. Óptica  7.1. Reflexión y Refracción  7.1.1. leyes de reflexión y refracción  7.1.2. Espejos y lentes  7.1.3. Reflexión interna total y fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferencia y Difracción  7.2.2. Experimento de la doble rendija de Young  7.2.3. Polarización de la luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efecto fotoeléctrico y la teoría de Einstein  8.1.2. Dualidad onda-partícula  8.1.3. El principio de incertidumbre de Heisenberg  8.1.4. Efecto Compton  8.2. Física Atómica y Nuclear  8.2.1. Modelo atómico y niveles de energía  8.2.2. Desintegración radiactiva y vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear
  9. Electrónica y Comunicación  9.1. Semiconductores  9.1.1. uniones pn y diodo  9.1.2. Transistores y compuertas lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados y Aplicaciones  9.2. Sistemas de comunicación  9.2.1. Conceptos básicos de la comunicación analógica y digital  9.2.2. Comunicación Inalámbrica y Óptica  9.2.3. Modulación y Demodulación

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Óptica de ondas


La óptica de ondas, también conocida como óptica física, es una rama de la óptica que estudia el comportamiento de la luz como una onda. A diferencia de la óptica geométrica, que se ocupa de la aproximación de rayos de luz, la óptica de ondas tiene en cuenta las características ondulatorias de la luz, como la interferencia, la difracción y la polarización. Es necesario comprender la óptica de ondas para entender completamente la naturaleza de la luz y sus diversas aplicaciones.

Naturaleza de la luz: dualidad onda-partícula

Históricamente, la naturaleza de la luz ha sido objeto de mucho debate. Científicos tempranos como Isaac Newton propusieron una teoría de partículas de la luz, mientras que otros como Christian Huygens defendieron una teoría ondulatoria. Hoy en día, entendemos que la luz exhibe tanto propiedades de onda como de partícula, un concepto conocido como dualidad onda-partícula. En la óptica de ondas, nos centramos en el comportamiento ondulatorio de la luz.

Fundamentos de la óptica de ondas

Los fundamentos de la óptica de ondas giran en torno a varios conceptos clave, incluyendo la interferencia, la difracción y la polarización. Estos fenómenos no pueden explicarse mediante la teoría de partículas de la luz y, por lo tanto, se describen mejor utilizando la óptica de ondas.

Interferencia de la luz

La interferencia es el fenómeno en el que dos o más ondas de luz se superponen entre sí para formar una onda resultante de mayor, menor o igual amplitud. A menudo se puede observar cuando las ondas de luz provenientes de diferentes fuentes o incluso de la misma fuente se encuentran después de haber sido divididas.

Para visualizar la interferencia, considere el siguiente diagrama que muestra la interacción entre dos ondas:

En el ejemplo anterior, las ondas azul y roja pueden representar ondas de luz de diferentes fuentes. Cuando se superponen, se combinan para formar un patrón de interferencia. La interferencia constructiva ocurre cuando las ondas se encuentran en fase (picos con picos, valles con valles), y la amplitud resultante es grande. La interferencia destructiva ocurre cuando las ondas se encuentran fuera de fase (picos con valles), y la amplitud resultante es pequeña o nula.

Difracción de la luz

La difracción se refiere a la desviación de las ondas de luz alrededor de obstáculos y agujeros. Este fenómeno es significativo cuando el tamaño del obstáculo o agujero es comparable a la longitud de onda de la luz. La difracción se puede observar fácilmente en nuestra vida diaria; por ejemplo, la forma en que las ondas de agua se desvían alrededor de un pilar ilustra el concepto de difracción.

Otro ejemplo se proporciona mediante la desviación de ondas de luz a través de una abertura:

Las líneas azules y rojas representan ondas de luz que se acercan a un agujero estrecho (ranura). A medida que estas ondas pasan a través de la ranura, se dispersan y forman patrones de difracción. Estos patrones aparecen como bandas alternadas de luz y oscuridad, conocidas como franjas.

Polarización de la luz

La polarización es una propiedad de las ondas que especifica la dirección geométrica de las oscilaciones. En el caso de la luz, estas oscilaciones son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. Generalmente, las ondas de luz no están polarizadas, lo que significa que las ondas vibran en múltiples planos a medida que viajan.

Podemos representar la idea de polarización usando el siguiente diagrama de onda:

La onda azul oscila en un plano determinado, demostrando luz polarizada. Una forma común de lograr la polarización es usar un filtro polarizador, que permite que las ondas que oscilan en una dirección determinada pasen mientras bloquea otras.

Representación matemática de las ondas

Las ondas pueden describirse matemáticamente mediante ecuaciones de onda. Para una sola onda que se mueve en una dimensión, el desplazamiento y en cualquier punto puede escribirse como:

        y(x, t) = A sin(kx – ωt + φ)

Aquí, A es la amplitud de la onda, k es el número de onda, ω es la frecuencia angular y φ es el ángulo de fase inicial. Esta ecuación ayuda a entender el desplazamiento o posición de los crestas de onda con el tiempo y el espacio.

Experimento de la doble ranura de Young

Una de las demostraciones más famosas de la óptica de ondas es el experimento de la doble ranura de Young. En este experimento, Thomas Young demostró la naturaleza ondulatoria de la luz al mostrar el patrón de interferencia creado por dos ranuras muy próximas entre sí.

El montaje experimental incluye una fuente de luz, dos membranas delgadas y una pantalla. Cuando la luz pasa a través de las membranas, crea un patrón de interferencia de franjas alternas brillantes y oscuras en la pantalla.

La condición para la interferencia constructiva (franjas brillantes) se da como sigue:

        dsin(θ) = mλ

donde d es la distancia entre las ranuras, θ es el ángulo relativo a la dirección original de la luz, m es el orden de la franja (0, 1, 2,...), y λ es la longitud de onda de la luz. Para la interferencia destructiva (franjas oscuras), la condición es:

        dsin(θ) = (m + 0.5)λ

Aplicaciones de la óptica de ondas

Hay muchas aplicaciones de la óptica de ondas en la tecnología y la naturaleza. Algunas de estas incluyen el diseño de dispositivos ópticos, la comprensión de fenómenos naturales como los arcoíris, y el desarrollo de diversas tecnologías como los láseres, la holografía y la fibra óptica.

  • Interferometría: Una aplicación importante de la óptica de ondas, donde se usa la interferencia para hacer mediciones precisas de distancias e irregularidades de superficie.
  • Revestimientos ópticos: Revestimientos multicapa en lentes o espejos utilizan el principio de interferencia para aumentar o disminuir la reflectividad.
  • Gafas de sol polarizadas: Estas utilizan el concepto de polarización para reducir el resplandor de superficies reflectantes.

Conclusión

La óptica de ondas proporciona información esencial sobre la naturaleza de la luz, al considerar sus propiedades ondulatorias. A través de fenómenos como la interferencia, la difracción y la polarización, la óptica de ondas nos ayuda a entender y aprovechar las capacidades de la luz. Los principios de la óptica de ondas sientan las bases para muchos avances tecnológicos y dispositivos ópticos.


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