Sumario

Leyes de la óptica geométrica.
Cómo ven los animales.
Óptica física y la dualidad onda partícula.
Aplicaciones de la óptica: la fotosíntesis y los fotoperiodos.

Objetivo

Al finalizar el estudio de este capítulo, entre otras habilidades, usted será capaz de:

Relacionar los conceptos de óptica con el campo de la Ingeniería Agronómica y Agroindustrial, para la comprensión del uso de la luz solar en los cultivos.

Introducción

A continuación, se presenta una serie de sugerencias para cumplir con las estrategias de aprendizaje, las cuales se proponen en el programa del curso de Física para Ingeniería Agroindustrial y Agronómica. Si bien son aplicables al curso, no son exhaustivas, el estudiante puede aprovechar otros materiales recomendados en las referencias bibliográficas.

Guía de lectura

Introducción: se le recomienda observar el documental La luz: <https://www.youtube.com/watch?v=HSdYnInPmsg> (duración 10 min)
Una vez que haya visto este material, pregúntese: ¿la luz es una onda o una partícula? ¿Por qué se afirma que la luz blanca se puede “descomponer” en luz de los colores del arcoíris? ¿A qué se debe que veamos un objeto de color rojo? ¿Por qué será que muchas plantas son verdes? ¿Qué cambia en la luz cuando entra al agua?
Si desea profundizar sobre el tema de la luz, se le invita a visualizar el documental Los Secretos de la luz: <https://www.youtube.com/watch?v=O6CPViOWU7U&t=519s> (duración 22 min)
Lea el capítulo sobre óptica y otros temas derivados, del libro de texto. Todas las secciones de la lectura son importantes, por lo tanto, se le recomienda hacer un resumen de cada una para su mejor comprensión.
Se le ofrecen algunas ideas para el diseño de un cuadro sinóptico, sobre la relación entre reflexión y refracción.

Reflexión
Es un fenómeno físico que se produce cuando un rayo luminoso, después de incidir en una superficie que no puede atravesar, llamada superficie reflectora, continúa propagándose en el mismo medio, pero en otra dirección
Se explica con las leyes de la reflexión	$1^a$: el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal se encuentran en el mismo plano. $2^a$: el ángulo de incidencia ( 1 ) es igual al ángulo de reflexión (2 ). La normal se define como la línea imaginaria que se traza perpendicular a la superficie de incidencia. El ángulo de incidencia se forma entre la normal y el rayo incidente. El ángulo de refracción se forma entre la normal y el rayo reflejado. La forma matemática de expresar la ley de la reflexión es: $$θ_1=θ_2$$

Refracción
Es un fenómeno que se presenta cuando la luz pasa de un medio como el aire a otro material transparente, por ejemplo el agua, el vidrio o el aceite. En este trayecto, la luz cambia de dirección y da la impresión de que se “quiebra el rayo de luz”.
Se explica con las leyes de la refracción	$1^a$: el rayo incidente, el rayo refractado y la normal se encuentran en el mismo plano. $2^a$: cuando un rayo luminoso pasa de un medio transparente a otro, de mayor densidad, se propaga en este último, acercándose a la normal y, si el medio es de menor densidad, se aleja de la normal. Esta ley fue denominada Ley de Snell, en honor de quien la propuso. La forma matemática de expresarla es: $$n_1 senθ_1=n_2 senθ_3$$

Puede experimentar con la refracción, en el laboratorio virtual, Bending Light: <https://phet.colorado.edu/sims/html/bending-light/latest/bending-light_en.html >

Comentarios del tema

A continuación, se le sugiere la elaboración de un mapa conceptual para relacionar los diferentes términos de reflexión y refracción.

Para comprender cómo funciona el ojo humano y cómo ven los animales, se le sugiere revisar loa siguientes materiales:

Cómo ve el ojo humano <https://www.uv.es/alonso2/Exelearning/cmo_ve_el_ojo_humano.html>
Funcionamiento del ojo humano <http://www.fotonostra.com/digital/ojohumano.htm>
Puede volver a ver un extracto del documental Los Secretos de la Luz, del minuto 15 al 16 <https://www.youtube.com/watch?v=O6CPViOWU7U&t=519s>
¿Cómo ven los animales? <https://www.youtube.com/watch?v=QzIHBRDwHVo>
¿Qué colores ven los animales? <http://ecosistemas.ovacen.com/colores-ven-los-animales/>
¿Cómo ven el mundo los animales? <http://omicrono.elespanol.com/2015/11/como-ven-el-mundo-los-animales/>

Aquí, se le ofrecen algunas ideas para realizar un esquema acerca de las enfermedades oculares del ser humano y su corrección.

Miopía
Descripción	Es el estado refractivo en el que el punto focal se forma delante de la retina, cuando el ojo se encuentra en reposo, en lugar de ubicarse en la misma retina, como sería normal.
Corrección	Se corrige con lentes divergentes, ya sean gafas o lentes de contacto. En algunos casos puede arreglarse mediante cirugía.
Diagrama
Hipermetropía
Descripción	Es un defecto ocular que consiste en que los rayos de luz, que inciden en el ojo, se enfocan en un punto situado, detrás de la retina. Se obtiene, como consecuencia, una imagen borrosa, que afecta la agudeza visual.
Corrección	Se puede tratar mediante el uso de lentes correctores convexos o positivos o lentes de contacto. El tratamiento quirúrgico, puede hacerse actuando sobre la córnea o extrayendo el cristalino y sustituyéndolo por una lente intraocular.
Diagrama
Astigmatismo
Descripción	Es un estado ocular que, generalmente, proviene de un problema en la curvatura de la córnea, lo que impide el enfoque claro de los objetos cercanos. La córnea sufre un achatamiento en sus polos, que produce raras visiones, de distintos radios de curvatura, en el eje del ojo.
Corrección	La mayoría veces, esta deficiencia es corregida con el uso de lentes cilíndricos, ya sea en anteojos o lentes de contacto. Lo más recomendable, es el uso de lentes de contacto "duros".
Diagrama

Para relacionar los conceptos de óptica con la fotosíntesis y los fotoperiodos, se le sugiere revisar el siguiente material:

Fototropismo y fotoperiodicidad <https://es.khanacademy.org/science/biology/plant-biology/plant-responses-to-light-cues/a/phototropism-photoperiodism>
Luz artificial para las plantas <https://www.radicalnutrients.com/2016/05/31/luz-artificial-para-las-plantas/>
Fotosíntesis en 3D: <https://www.youtube.com/watch?v=AjQd-TaQpuQ>
Efecto de la longitud de onda sobre el crecimiento vegetal <https://www.youtube.com/watch?v=mKZdgcdd-0Q>

Para la redacción del informe de la actividad práctica, se le sugiere tomar en cuenta las siguientes recomendaciones:

Partes del informe	Comentarios
Título	Debe dar una idea concreta del tema del informe.
Resumen	Que no sea mayor de cien palabras, dará una información clara del contenido. Además, debe brindar un panorama general del trabajo, los resultados y las principales conclusiones.
Objetivo	Expone brevemente lo que se esperaba lograr con la ejecución de la visita.
Marco teórico	Es un breve resumen de la fundamentación teórica de la visita realizada.
Metodología	Debe contener descripción del equipo que observó en la gira con algún detalle, que incluya diagramas, si hay algunos aspectos novedosos.
Análisis de resultados	Una vez completada la visita, se examinan y se organizan los aspectos observados. Estos se analizan respondiendo a las siguientes interrogantes: ¿qué tipo de sección transversal tienen los canales observados? Es conveniente presentar una comparación con otras mediciones similares e indicar sobre su incertidumbre y comentar si lograron ver situaciones de medición de caudales o aplicaciones del concepto de presión. Redactar un comentario personal sobre el estado del problema investigado, de acuerdo con los resultados obtenidos. Además, es necesario dar una sugerencia de lo que podría hacerse en el futuro.
Conclusiones	En esta sección se responde al cuestionario que aparece al final de la guía de la visita. Puede ampliar las conclusiones, considerando las siguientes preguntas: ¿cuáles variables son importantes? ¿Se recolectó suficiente información? ¿Es necesario realizar más mediciones? Conviene mantener una mente abierta, si los resultados no apoyan la hipótesis original, aún así, se ha desarrollado una investigación que puede reformular el objetivo. Una actividad se hace para aprobar o desaprobar una hipótesis planteada. Si hay tiempo, la hipótesis se puede modificar y se repite el proceso, nuevamente.
Referencias bibliográficas	Todo informe debe incluir las referencias bibliográficas utilizadas para su elaboración, estructuradas de la siguiente manera: autor, año de publicación, título de la obra, editorial, lugar, fecha y páginas consultadas. Si son páginas electrónicas, puede guiarse por el formato APA 6, que se sigue en esta guía, para las referencias bibliográficas de internet.

Ejercicios resueltos. Se le ofrecen varios problemas con su solución, que le permiten aclarar dudas y obtener ideas de cómo resolver otros problemas.

Una placa de vidrio horizontal de lados paralelos tiene índice de refracción de 1,52 y está en contacto con la superficie de agua en un tanque. Un rayo que llega desde arriba, a través del aire, forma un ángulo de incidencia de 35°, con la normal a la superficie superior del vidrio. a) ¿Qué ángulo forma el rayo refractado en el agua, con la normal a la superficie? B) ¿Cómo depende este ángulo del índice de refracción del vidrio?

Datos

n=1,52
Ángulo de incidencia= 35°

Incógnita

¿Ángulo de refracción en el agua?

Ecuaciones

$ n_1sen\theta _1=$ $ n_2sen\theta _2$

Solución

AIRE-VIDRIO.

$ n1sen\theta _1=$ $ n_2sen\theta _2$

$ 1sen35=$ $ 1,52sen\theta _2$

$ sen\theta _2=$ $\frac{0,5735}{1,52}=$ $0,3773$

$ \theta _2=$ $ 22,16^{\circ}$

VIDRIO-AGUA

$ n_1sen\theta _1=$ $n_2sen\theta _2$

$ 1,52 sen22,16=$ $ 1,33sen\theta _3$

$ sen\theta _3=$ $0,4312$

$ \theta _2=$ $ 25,54^{\circ}$

R/El ángulo de refracción en el agua es de 25,54° y la dependencia con el índice de refracción del vidrio es directa.

En un modelo simplificado del ojo humano, los humores vitrio y acuoso y el cristalino tienen todos un índice de refracción de 1,40 y toda la refracción tiene lugar en la córnea cuyo vértice está a 2,6 cm de la retina. ¿Cuál debe ser el radio de curvatura de la córnea, para que la imagen de un objeto situado a 40 cm del vértice de la córnea esté enfocado en la retina?

Datos

n=1,40
S' =2,6 cm
S= 40 cm
Suponiendo que la córnea tenga ambas superficies con el mismo radio

Incógnita

¿Radio de curvatura de la córnea?

Ecuaciones

$$\frac{1}{f}=\frac{1}{S}+\frac{1}{S'}$$ $$\frac{1}{f}=(n-1)\left ( \frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2} \right )$$

Solución

$$\frac{1}{f}=\frac{1}{40}+\frac{1}{2,6}=$$ $$\frac{1}{2,44}\rightarrow f=2,44 cm$$

$$\frac{1}{f}=$$ $$(n-1)\left ( \frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2} \right )\rightarrow \frac{1}{2,44}=$$ $$(1,4-1)\left ( \frac{1}{R}+\frac{1}{R} \right )$$

$$\frac{1}{2,44}=$$ $$(0,4) \frac{2}{R}\rightarrow R=$$ $$(0,8)(2,44)=1,95cm$$

R/ Suponiendo que la córnea tenga ambas superficies con el mismo radio, uno positivo y el otro negativo, este será de 1,95 cm.

Referencias bibliográficas

Crates. (2018). Diagrama del espectro electromagnético [imagen]. Recuperado de: <http://commons.wikimedia.org/wiki/File:EM_Spectrum_Properties_es.svg?uselang=es>

ElCanalDocumental. (2013). La luz [video]. Recuperado de: <https://www.youtube.com/watch?v=HSdYnInPmsg>

FisicaLab. (s.f.) Naturaleza de la luz: dualidad onda- corpúsculo. Recuperado de: <https://www.fisicalab.com/apartado/naturaleza-luz>

University of Colorado. (2018). Bending Light [laboratorio virtual]. Recuperado de: <https://phet.colorado.edu/sims/html/bending-light/latest/bending-light_en.html>

Vector Producciones. (2015). Los secretos de la luz [video]. Recuperado de: <https://www.youtube.com/watch?v=O6CPViOWU7U&t=519s>

2018 Universidad Estatal a Distancia Créditos

Reflexión
Es un fenómeno físico que se produce cuando un rayo luminoso, después de incidir en una superficie que no puede atravesar, llamada superficie reflectora, continúa propagándose en el mismo medio, pero en otra dirección
Se explica con las leyes de la reflexión	\(1^a\): el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal se encuentran en el mismo plano. \(2^a\): el ángulo de incidencia ( 1 ) es igual al ángulo de reflexión (2 ). La normal se define como la línea imaginaria que se traza perpendicular a la superficie de incidencia. El ángulo de incidencia se forma entre la normal y el rayo incidente. El ángulo de refracción se forma entre la normal y el rayo reflejado. La forma matemática de expresar la ley de la reflexión es: $$θ_1=θ_2$$

Refracción
Es un fenómeno que se presenta cuando la luz pasa de un medio como el aire a otro material transparente, por ejemplo el agua, el vidrio o el aceite. En este trayecto, la luz cambia de dirección y da la impresión de que se “quiebra el rayo de luz”.
Se explica con las leyes de la refracción	\(1^a\): el rayo incidente, el rayo refractado y la normal se encuentran en el mismo plano. \(2^a\): cuando un rayo luminoso pasa de un medio transparente a otro, de mayor densidad, se propaga en este último, acercándose a la normal y, si el medio es de menor densidad, se aleja de la normal. Esta ley fue denominada Ley de Snell, en honor de quien la propuso. La forma matemática de expresarla es: $$n_1 senθ_1=n_2 senθ_3$$