Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Espejos y lentes


La óptica geométrica es un campo de la física que se ocupa de la reflexión y refracción de la luz utilizando espejos y lentes. Sigue los principios de la propagación de la luz y los utiliza para explicar fenómenos relacionados con espejos y lentes. Los conceptos fundamentales son importantes para entender cómo la luz interactúa con estos objetos, uno de los pilares en la educación en física. Este artículo te ayudará a entender estos conceptos de manera sencilla pero detallada.

Reflexión y tipos de espejos

Antes de aprender sobre los espejos, es importante entender la ley de la reflexión, según la cual cuando la luz se refleja en una superficie, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Matemáticamente, se expresa como:

Ángulo de incidencia (θ i ) = Ángulo de reflexión (θ r )

Los espejos utilizan este principio para formar una imagen. Principalmente hay dos tipos de espejos: espejos planos y espejos curvos. Los espejos curvos se clasifican además en espejos cóncavos y convexos.

Espejo plano

Un espejo plano tiene una superficie reflectante plana. Cuando los rayos de luz inciden en un espejo plano, regresan con un ángulo de incidencia igual al ángulo de reflexión. La imagen formada por un espejo plano es virtual, lo que significa que no puede proyectarse en una pantalla. La imagen también es erecta y tiene el mismo tamaño que el objeto.

Espejo cóncavo

Los espejos cóncavos tienen una superficie reflectante que se curva hacia adentro. Pueden converger los rayos de luz a un punto, lo que los hace útiles en dispositivos como telescopios y faros.

Considere un espejo cóncavo que tenga eje principal, punto focal (F) y centro de curvatura (C). Aquí está el diagrama de rayos que lo representa:

En el diagrama, los rayos de luz que llegan paralelos al eje convergen en el punto focal después de la reflexión. El tipo de imagen formada (real o virtual) depende de la posición del objeto con respecto al espejo. Los espejos cóncavos pueden formar tanto una imagen real e invertida como una imagen virtual y erecta.

Espejo convexo

Los espejos convexos sobresalen hacia afuera y dispersan los rayos de luz, otorgando un campo de visión más amplio. Esta propiedad los hace adecuados para aplicaciones de seguridad, como los espejos retrovisores en vehículos.

Los diagramas de rayos ayudan a explicar cómo funcionan los espejos convexos. A continuación se muestra una ilustración:

Todas las imágenes formadas por espejos convexos son virtuales, pequeñas y erectas. El punto focal está detrás del espejo porque los rayos divergen cuando llegan a la superficie reflectante.

Refracción y lentes

La refracción es la desviación de la luz al pasar por diferentes medios. Su principio principal se expresa mediante la ley de Snell:

n 1 * sin(θ 1 ) = n 2 * sin(θ 2 )

n 1 y n 2 son los índices de refracción de los dos medios, mientras que θ 1 y θ 2 son los ángulos de incidencia y refracción, respectivamente. La refracción ayuda a desviar la luz a través de una lente, permitiendo la formación de imágenes.

Tipos de lentes

Las lentes se clasifican en dos tipos principales: lentes convexas y lentes cóncavas. Cada tipo maneja la luz de manera diferente, produciendo diferentes efectos útiles en instrumentos ópticos.

Lente convexa

Las lentes convexas son más gruesas en el centro que en los bordes y convergen los rayos de luz que pasan a través de ellas hacia un punto focal. Esta propiedad las hace adecuadas para aplicaciones que requieren luz amplificada o enfocada. Las lentes convexas se utilizan en lupas, cámaras y gafas correctivas.

Explique con la ayuda del siguiente diagrama cómo pasa la luz a través de una lente convexa:

En la ilustración, los rayos entrantes paralelos se refractan a través de la lente y convergen en su punto focal. Al igual que con los espejos cóncavos, el tipo de imagen depende de la distancia del objeto a la lente. Las lentes convexas pueden formar imágenes reales e invertidas o imágenes virtuales y erectas.

Lente cóncava

Las lentes cóncavas son delgadas en el centro y gruesas en los bordes, provocando que los rayos de luz se dispersen al pasar a través de ellas. Por lo general, se utilizan para aplicaciones que requieren un patrón de luz reducido o difundido, como en mirillas o para corregir la miopía.

El diagrama de rayos para una lente cóncava se verá así:

El punto focal virtual se utiliza para extender los rayos divergentes hacia afuera. Las imágenes formadas por una lente cóncava siempre son virtuales, erectas y reducidas.

Formación de imágenes por espejos y lentes

El estudio de la formación de imágenes involucra reglas y configuraciones específicas para cada tipo de espejo y lente. La aplicación de la fórmula del espejo y la fórmula del lente ayuda a calcular las propiedades de la imagen y es importante para cualquier análisis óptico.

Fórmula del espejo

La fórmula del espejo relaciona la distancia del objeto (u), la distancia de la imagen (v) y la distancia focal (f). Se da como:

1/f = 1/u + 1/v

La convención de signos es importante aquí. Para los espejos cóncavos, la distancia focal y la distancia de la imagen son negativas, mientras que para los espejos convexos, son positivas.

Fórmulas de lentes

Similar a los espejos, la fórmula de la lente conecta la distancia del objeto, la distancia de la imagen y la distancia focal:

1/f = 1/v - 1/u

Los signos en la fórmula de la lente difieren: para una lente convexa, la distancia focal es positiva, mientras que para una lente cóncava, es negativa. Entender estas convenciones ayuda a predecir si la imagen será real o virtual, vertical o invertida, y cuál será su tamaño.

Aumento

El aumento nos dice qué tan grande o pequeña es la imagen en comparación con el objeto. Se expresa de manera diferente para espejos y lentes.

Aumento para espejos

Definido como la relación entre la altura de la imagen (h i) y la altura del objeto (h o), en la que:

M = H I / H O = -V/U

Mientras que la magnitud positiva indica imagen erecta, la magnitud negativa indica imagen invertida.

Aumento para lentes

En términos de lentes, el aumento toma la misma forma:

M = H I / H O = V/U

Aquí, la convención de signos es esencial: un aumento positivo sugiere una imagen erecta tanto para la lente como para el espejo.

Aplicaciones y ejemplos prácticos

Entender los espejos y las lentes en óptica geométrica tiene innumerables aplicaciones en la vida diaria y en la tecnología avanzada.

  • Telescopios y microscopios: Utilizan tanto espejos cóncavos como lentes convexas para ampliar objetos distantes o pequeños para su observación.
  • Cámara: Utiliza una lente para enfocar la luz en una película fotográfica o sensor para tomar imágenes estáticas y de video.
  • Gafas y lentes de contacto: corrigen la visión convergiendo o divergiendo los rayos de luz, ajustando el enfoque de la luz en la retina.
  • Proyectores: Utilizan una combinación de lentes para enfocar y ampliar una visualización o ampliar imágenes proyectadas en una superficie.

Estos ejemplos prácticos dejan en claro cómo comprender los principios de los espejos y lentes tiene un impacto profundo en el avance tecnológico y las comodidades cotidianas.

Conclusión

Los espejos y lentes son fundamentales para el estudio de la óptica en la física universitaria. Esta visión detallada te proporcionará una comprensión fundamental de cómo la luz interactúa con espejos y lentes. Desde la formación de imágenes hasta la habilitación de aplicaciones tecnológicas, la física subyacente proporciona la base para la innovación continua y la comprensión. El dominio de los diagramas de rayos, las fórmulas y las teorías garantiza precisión en la predicción y manipulación de la luz, lo cual es esencial para los físicos ópticos e ingenieros.


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