19: Refracción: Lentes
Usted habrá notado en la última simulación, una onda que pasa todo el camino a través de una pieza de material con caras paralelas (por ejemplo luz a través de una plancha de vidrio plana) deja el material con el mismo ángulo que incidió en la otra cara. La onda se desdobla cuando sale del material en la misma medida que se dobló al entrar. Sin embargo esto último sólo es cierto si las caras del material son paralelas. En la simulación de abajo tenemos lentes convexas y cóncavas donde los caras del vidrio no son paralelas (excepto cerca del centro). En este caso, los rayos paralelos de luz terminan saliendo en diferentes direcciones. Esta es la base de cualquier dispositivo óptico que utiliza lentes, por ejemplo, cámaras fotográficas, binoculares, microscopios, anteojos, los ojos de varios animales, etc.
En cada superficie las ondas obedecen a la ley de la refracción (ley de Snell), pero resulta que los rayos paralelos entran cuando salen no son paralelos. Aunque nuestro ejemplo es para la luz que deberías tener en mente que el mismo comportamiento ocurre para otros tipos de ondas que cuando entran en un medio su velocidad es diferente.
Para esta simulación se utiliza la aproximación lente delgada que asume el espesor de la lente es pequeño en comparación con la curvatura de la lente. Esto nos permite aproximar la flexión como si ocurre una sola vez en la línea media de la lente (en lugar de algunas flexiones en cada superficie que es en realidad lo que).
El objeto (una vela) en la simulación se puede mover con el ratón. Las flechas blancas muestran por dónde viajan los rayos de luz. Las líneas de color púrpura son extensiones imaginarias de los rayos de luz reales. Nuestro sistema cerebro / visión asume que la luz siempre viaja en línea recta y no se dobla o flexiona. Por eso para la luz que se curva debido a la refracción, nuestro cerebro interpreta la luz como siguiendo los caminos púrpuras y construye una imagen basado en esta información.
Preguntas:
19.1. La definición de la distancia focal de una lente convergente es el punto donde los rayos inicialmente inciden paralelos al eje se encuentran después de pasar a través de la lente. Estos puntos están marcados con un círculo rojo. ¿Por qué hay un punto focal en cada lado de la lente? ¿Existe alguna diferencia en que forma la luz viaja a través de una lente delgada?
19.2. Arrastre el objeto hacia atrás y adelante. Describe lo que ves. ¿Qué dos cosas son diferentes acerca de la imagen si el objeto está más cerca que la distancia focal, en comparación a cuando se está más lejos de la distancia focal?
19.3. Utilice el control deslizante h para cambiar la altura del objeto. ¿Cómo afecta la altura de la imagen en comparación con la altura del objeto? ¿La altura del objeto cambiar alguna de sus conclusiones de la pregunta anterior? Explicar.
19.4. Para todos los casos un único rayo va directamente a través del centro de la lente. ¿Porqué es eso? (Sugerencia: Lea la introducción.)
19.5. Describir cuidadosamente los otros dos rayos. ¿Qué ocurre con un rayo que entra en la lente paralelo al eje horizontal? ¿Qué sucede con un rayo que pasas por el foco (si el objeto está más lejos del foco)? ¿Qué ocurre con el rayo que parece venir desde el foco (si el objeto está más cerca que el foco)?
Las dos preguntas anteriores son las reglas para la elaboración de los rayos de luz de una lente convergente: 1. Los rayos paralelos al eje se curvan como si viene del foco; 2. Rays que pasan por el foco (o procedentes del foco si el objeto está más cerca que el foco) se doblan para salir de la lente paralelos al eje; y 3. Rayos que atraviesan por el centro siguen derecho sin curvatura. Con el uso de estas tres reglas, es posible determinar dónde estará y qué tan grande será la imagen para cualquier lente convergente.
19.6. Ahora elija el caso lente divergente y experimente. ¿Qué tan diferente es respecto del caso convergente? ¿Cómo se comparan el tamaño de la imagen con el tamaño del objeto? ¿Existe algún caso en el que la imagen es más grande que el objeto?
19.7. Una de las reglas para la elaboración de los rayos para una lente divergente es el mismo que para una lente convergente. ¿Cúal?
19.8. Cuidadosamente indique lo que ocurre con un rayo que es paralelo al eje cuando sale una lente divergente. También describa lo que sucede a un rayo que parte del objeto y se dirige hacia el foco en el lado opuesto. ¿Cómo son diferentes estas reglas respecto de lentes convergentes?
19.9. Como en el caso de los espejos, algunas imágenes de las lentes son reales (pueden ser proyectadas en una pantalla), mientras que otras son virtuales (sólo se ven mirando a través de la lente). Para las lentes, las imágenes reales aparecen invertidas y en el otro lado de la lente. ¿Qué casos de los anteriores tenían imágenes reales y que casos tenían imágenes virtuales?
19.10. Su ojo tiene una sola lente que proyecta una imagen real en su retina. La retina convierte la imagen en impulsos nerviosos que van al cerebro para ser interpretados. ¿Cuál es la orientación de imagen? ¿Le sorprende?
© 2015, Wolfgang Christian y Kyle Forinash.
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