Lentes, imágenes e instrumentos ópticos

Física. Óptica. Diafragma. Enfoque geométrico. Instrumentos ópticos. Formación de imagen

  • Enviado por: Ray
  • Idioma: castellano
  • País: México México
  • 13 páginas
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LENTE DE 8

1

2

3

4

5

OBJETO

2 cm

2 cm

2 cm

2 cm

2 cm

OBJETO-LENTE

11 cm

16 cm

26 cm

6.5 cm

23 cm

LENTE-IMAGEN

25 cm

20.5 cm

16.5 cm

29 cm

14 cm

IMAGEN

3 cm

2 cm

1 cm

3.5 cm

0.7 cm

LENTE DE 5

1

2

3

4

5

OBJETO

0.7 cm

0.7 cm

0.7 cm

0.7 cm

0.7 cm

OBJETO-LENTE

6.5 cm

5.5 cm

5 cm

4 cm

6 cm

LENTE-IMAGEN

28 cm

29 cm

29.5 cm

30.5 cm

28.5 cm

IMAGEN

3.25 cm

3.4 cm

3.5 cm

3.6 cm

3.1 cm

X1

X2

5.8

6.2

29.2

28.8

Procedimiento:

  • Colocar la lente de distancia focal f = + 50 mm a una distancia d de la placa con la escala de forma tal que se verifique: f < d < 2f

  • Colocar la pantalla translúcida sobre el banco óptico y acercarla o alejarla de la lente hasta que se obtenga sobre dicha pantalla una imagen nítida de la escala de la placa.

  • Observar si la imagen es derecha o invertida y mayor o menor que el objeto.

  • Colocar la lente de distancia focal f' = + 100 mm a una distancia d' de la pantalla translúcida de forma tal que d' < f'

  • De entre los elementos del banco óptico elegir una de las placas con orifico pequeño (a la que llamaremos diafragma) y colocarla a una distancia aproximadamente de f' de la lente del paso anterior.

  • Para ajustar las posiciones de los elementos mirar por el diafragma la imagen obtenida en la pantalla traslúcida. Modificar ligeramente la posición del diafragma hasta obtener una visión clara y nítida de la imagen.

  • Observar si esta imagen es derecha o invertida y mayor o menor que el objeto.

  • Retirar la pantalla traslúcida y colocarla delante de la fuente de luz. Esto evitará el encandilamiento y permitirá ver la imagen de la placa con la escala graduada acercando el ojo al diafragma.

OBJETIVO.

Aplicar el enfoque de la óptica geométrica a la descripción de las imágenes formadas por lentes y sistemas ópticos.

OBJETIVOS ESPECIFICOS.

  • Observar las imágenes formadas en varios arreglos de lentes.

  • Calcular la distancia focal y el aumento lateral de los arreglos en condiciones especificas.

  • Analizar el comportamiento de la luz en estos sistemas y la utilidad del enfoque geométrico en la óptica.

LENTES, IMÁGENES E INSTRUMENTOS ÓPTICOS.

INTRODUCCION.

Dada la importancia que tiene el microscopio en la labor de los bioquímicos, vamos a dedicar esta práctica a estudiar los principios básicos de funcionamiento del mismo. Para ello realizaremos la verificación experimental de algunas de las leyes de la óptica geométrica que estudiarán en el curso teórico. Por último, realizaremos el montaje de un símil de microscopio.

FUNDAMENTO TEORICO

FORMACION DE IMÁGENES

Una lente es un medio transparente limitado por dos superficies. Las lentes se utilizan generalmente para formar imágenes por refracción en los instrumentos ópticos, como cámaras fotográficas, telescopios, microscopio, etc. Las imágenes generadas por una lente pueden ser reales o virtuales, una imagen real es aquella que se forma en realidad, es decir, si se coloca una pantalla en el punto adecuado, se formará sobre ella la imagen del objeto. Por otro lado, una imagen virtual representa la posición desde la que parece que procede la luz que llega a nuestros ojos a través de la lente. Sin embargo, la luz nunca pasa en realidad por aquella posición y si colocáramos una pantalla no se observaría ninguna imagen sobre ella.

A continuación daremos algunas definiciones para lentes delgadas. Se consideran lentes delgadas, aquellas lentes cuyo espesor es pequeño comparado con los radios de curvatura de las superficies limitantes.

  • Distancia focal:

Sea s la distancia entre el objeto luminoso y la lente y s' la distancia a la cual se forma la imagen del objeto a través de la lente. Se define la distancia focal f de una lente delgada como la distancia s' a la cual se forma la imagen a través de la lente de un objeto que se encuentra en el infinito, s!".

La relación entre la distancia focal, la posición del objeto y la posición de su imagen cumplen la Ley de Descartes:

Lentes, imágenes e instrumentos ópticos

  • Rayos principales para lentes convergentes:

Para una lente delgada hay tres rayos principales:

  • El rayo que pasa por el centro de la lente. En este caso, el rayo pasa sin desviarse a través de la lente.

  • El rayo incidente es paralelo al eje principal de la lente. En este caso, el rayo se desvía al atravesar la lente pasando por el foco.

  • Un rayo incidente que pasa por el foco de la lente, luego de atravesarla sale paralelo al eje principal.

    • Aumento lateral:

    El aumento lateral M de una lente viene dado por: Lentes, imágenes e instrumentos ópticos

    MICROSCOPIO.

    En la figura 1 se muestra un diagrama del microscopio óptico de campo brillante que se utiliza habitualmente en los laboratorios de biología. En este diagrama se muestran los diferentes elementos que forman un microscopio. Podemos ver que las lentes del condensador enfocan la luz incidente sobre la muestra y el diafragma regula la intensidad de la misma. Tanto el objetivo como el ocular son sistemas ópticos formados por varios elementos. El aumento de la imagen viene determinado por las distancias focales del objetivo y el ocular.

    Lentes, imágenes e instrumentos ópticos

    Figura 1

    Diagrama de un microscopio de campo brillante.

    Lentes, imágenes e instrumentos ópticos

    Figura 2

    Microscopio óptico de campo brillante

    El principio del microscopio se muestra en la figura 2. El objeto que se estudia se coloca una distancia s1 un poco mayor que la distancia focal f1 de la lente que hace de objetivo, por lo cual podemos decir que:

    s1 " f1

    La imagen que se obtiene con esta primera lente es real e invertida y mucho más grande que le objeto. En las clases de teórico se verá que el aumento lineal se define como:

    m1 = - s'1 / s1 = - s'1 / f1

    Esta imagen sirve de objeto para la lente que actúa como ocular que se comporta como una lupa proporcionando una imagen virtual aumentada a una distancia confortable para la visión.

    El ojo humano normal puede distinguir dos objetos puntuales bien iluminados con una separación angular

    ð ð5 x 10-4 rad = 0.03 o

    Esta separación angular mínima se denomina agudeza visual. Para observar detalles finos, una persona mantiene un objeto tan cerca de sus ojos como le es posible, hasta el denominado punto próximo que es la distancia a la que se puede enfocar un objeto con comodidad, para un adulto joven de visión normal la distancia entre sus ojos y el punto próximo es de aproximadamente 0.25 m.

    Volviendo al microscopio, vemos que el aumento angular de la lente utilizada como ocular es:

    M2 = 0.25 m / f2

    Donde f2 es la distancia focal del ocular. Por lo tanto, el aumento total del microscopio será el producto de estos dos aumentos:

    M = m1 M2

    PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.

    MATERIAL Y EQUIPO.

    • Banco óptico con accesorios

    • Juego de lentes

    • Lámpara con fuente

    • Regla

    • Flexómetro

    DESARROLLO EXPERIMENTAL.

    EXPERIMENTO I

  • Sobre el riel óptico montar un dispositivo como se muestra en la figura.

  • Lentes, imágenes e instrumentos ópticos

  • Colocar una lente biconvexa de distancia focal conocida y un objeto (diafragma con ranura de forma de flecha). La pantalla debe tener de preferencia una cuadricula con línea tenue para medir el tamaño de la imagen.

  • Seleccione una distancia objeto arbitraria.

  • Mueva la pantalla hasta lograr una imagen bien definida. Mida la distancia imagen y el tamaño de la misma.

  • Realice lo anterior para 5 distancias.

  • EXPERIMENTO II

    Medición de distancia focal por el método de los planos conjugados.

  • Con el mismo montaje anterior fije una distancia entre el objeto y la pantalla.

  • Desplace la lente desde muy cerca del objeto hasta que se forme una imagen nítida en la pantalla, en caso de que no se forme imagen aumente la distancia d.

  • Una vez que se haya formado la imagen, continúe desplazando la lente hasta formar nuevamente una imagen sobre la pantalla, mida estas dos distancias.

  • EXPERIMENTO III

    Medición de distancia focal de una lente delgada bicóncava (negativa) por el método de doblete de contacto.

  • Utilice el mismo montaje anterior.

  • Coloque una lente delgada positiva de distancia focal conocida en contacto con una lente negativa cuya distancia focal se desea determinar.

  • Determine por el método de los planos conjugados la distancia focal de la combinación (EXPERIMENTO II).

  • SISTEMAS ÓPTICOS.

    EXPERIMENTO IV.

    Microscopio.

  • Para el arreglo para un microscopio colocar en el banco óptico, sin lámpara, una lente convergente de distancia focal pequeña (entre 8 y 12 cm) que servirá como ocular. Sobre la pantalla, en el otro extremo colocar un objeto pequeño. Montar otra lente en medio, también de distancia focal conocida pequeña, pero más cerca del objeto que del ocular, esta lente se llamara objetivo.

  • Mover el ocular y/o el objetivo hasta lograr la mayor amplificación con la mejor nitidez. El objetivo debe colocarse a una distancia del objeto un poco mayor que el foco de la misma y la longitud total del instrumento debe ser la suma de las distancias focales. Medir las distancias entre cada uno de los elementos del sistema y observar las imágenes.

  • Tome como objeto ahora la ranura circular de diámetro conocido, coloque una regla a la distancia de visión nítida (aprox. De 25 cm) y determine el diámetro de la imagen.

  • Invertir la posición de las lentes, observar las imágenes obtenidas.

  • Telescopio.

  • Use como objetivo una lente positiva de distancia focal grande y como ocular una distancia focal corta, siendo la longitud del instrumento la suma de las distancias focales.

  • Observe objetos alejados.

  • Use ahora una lente positiva de distancia focal corta (lente erectora), colóquela en la posición del ocular y separe este hasta una distancia de 4 veces la distancia focal de la lente erectora. La modificación hecha al telescopio anterior, lo transforma en un catalejo.

  • Cambiar el ocular por una lente divergente manteniendo la lente objetivo convergente de distancia focal mayor. Enfocar algún objeto lejano y una vez determinada la posición de las lentes medir la distancia entre ellas registrando también las características de las imágenes (Telescopio de Galileo).

  • CUESTIONARIO.

  • Demostrar las formulas para calcular la distancia focal por el método de los planos conjugados y el del doblete en contacto.

  • ¿Por qué no se puede utilizar el método de los planos conjugados para determinar la distancia focal de una lente negativa directamente?

  • ¿Cuál es la diferencia entre un microscopio compuesto y uno simple?

  • El microscopio óptico más simple es la lente convexa doble con una distancia focal corta. Estas lentes pueden aumentar un objeto hasta 15 veces. Por lo general, se utilizan microscopios compuestos, que disponen de varias lentes con las que se consiguen aumentos mayores. Algunos microscopios ópticos pueden aumentar un objeto por encima de las 20,000 veces.

    El microscopio compuesto consiste en dos sistemas de lentes, el objetivo y el ocular, montados en extremos opuestos de un tubo cerrado. El objetivo está compuesto de varias lentes que crean una imagen real aumentada del objeto examinado. Las lentes de los microscopios están dispuestas de forma que el objetivo se encuentre en el punto focal del ocular. Cuando se mira a través del ocular se ve una imagen virtual aumentada de la imagen real. El aumento total del microscopio depende de las distancias focales de los dos sistemas de lentes.

    Lentes, imágenes e instrumentos ópticos

  • ¿Cuáles son las funciones del objetivo y del ocular?

  • El objetivo forma una imagen real aumentada e invertida. Se dice que la imagen es real porque los rayos luminosos pasan realmente por el lugar de la imagen. El ocular está situado de modo que no forma una segunda imagen real, sino que hace diverger los rayos luminosos, que al entrar en el ojo del observador parecen proceder de una gran imagen invertida situada más allá del objetivo.

  • Investigue: ¿Cuál es el sistema óptico utilizado en los prismáticos? Realice un diagrama de los mismos.

  • Los binoculares o prismáticos, son un instrumento óptico que amplifica los objetos distantes. Consta de dos anteojos idénticos que se pueden enfocar al mismo tiempo por medio de un tornillo de mariposa y que en general se pueden ajustar también de forma independiente para cada ojo. Cada uno de ellos está equipado con una pequeña lente cóncava llamada ocular, y una lente convexa mayor llamada objetivo. En cada anteojo se utilizan frecuentemente dos prismas para desviar el recorrido de la luz. Esto impide la inversión de la imagen que se formaría con la utilización única de dos lentes, y permite que el anteojo pueda ser más pequeño. La percepción de profundidad aumenta cuando aumenta la distancia entre los objetivos . Unos gemelos de teatro son simplemente anteojos con lentes no muy caras que proporcionan un campo de visión limitado y una pequeña amplificación de la imagen. Los binoculares con prismas permiten alcanzar un campo mayor de visión y una amplificación de la imagen.

    Los gemelos binoculares se clasifican por su capacidad de aumentar la imagen y por su potencia para recopilar la luz; pueden ser, por ejemplo, de 6 × 30, 7 × 50 u 8 × 30. El primer número representa los aumentos; el segundo, el diámetro del objetivo en milímetros. Cuando los binoculares son de grandes aumentos y de grandes objetivos se convierten en instrumentos demasiado pesados para ser utilizados sin un soporte fijo. Cuando la visión estereoscópica no es muy importante, a veces se utiliza un único anteojo.

    Lentes, imágenes e instrumentos ópticos

  • Explique el funcionamiento óptico del ojo humano.

  • Lentes, imágenes e instrumentos ópticos

    Los rayos de luz que entran en el ojo son refractados, o reflejados, al pasar por el cristalino. En una visión normal, los rayos de luz se enfocan justo sobre la retina. Si el globo ocular es demasiado ancho, la imagen se enfoca más cerca que la posición donde está la retina. Esto se llama miopía, es decir, una persona corta de vista que no distingue con claridad los objetos distantes. La condición contraria se llama hipermetropía; se produce cuando los globos oculares son demasiado estrechos. En este caso, una imagen enfocada de forma correcta queda detrás de la retina. Estas condiciones también se pueden dar si los músculos oculares son incapaces de variar la forma del cristalino para que enfoquen los rayos de luz de forma correcta.

  • ¿Qué se hace para corregir la miopía y la hipermetropía?

  • Las gafas o anteojos, lentes o prismas que se colocan delante de los ojos para compensar diversos defectos de la visión. La forma más común consiste en un par de lentes de vidrio sujetas por una moldura de metal o plástico que se adapta al puente de la nariz y se mantiene en posición mediante dos patillas, o abrazaderas, que se afianzan a la cabeza o alrededor de las orejas. Las gafas fabricadas con lentes de plástico duro son más seguras y pesan menos.

    Las lentes de las gafas se pulen en forma de lente esférica cóncava para la miopía (cortos de vista), lentes esféricas convexas para la hipermetropía, lentes cilíndricas para el astigmatismo (curvatura no uniforme del cristalino) y prismáticas para defectos de convergencia. Con frecuencia es necesario pulir estas lentes de modo que se combinen estas formas para corregir varias anomalías al mismo tiempo. Las lentes bifocales se utilizan para proporcionar un grado de corrección diferente según si la visión sea próxima o lejana. La zona superior de estas lentes está pulida para la visión de lejos y la parte inferior para la visión de cerca, de modo que el usuario sólo tiene que inclinar los ojos hacia abajo para leer y elevarlos para mirar objetos distantes. Las gafas trifocales son bifocales que en el centro de la lente se han pulido para ver a una distancia intermedia.

    CONCLUSIONES.

    Comprendimos y entendimos el manejo de las lentes y las definiciones de cada una, por ejemplo, observamos que las lentes cóncavas están curvadas hacia dentro y que la luz que atraviesa una lente cóncava se desvía hacia fuera (diverge). A diferencia de las lentes convexas, que producen imágenes reales, las cóncavas sólo producen imágenes virtuales, es decir, imágenes de las que parecen proceder los rayos de luz.

    También vimos y analizamos algunos instrumentos ópticos que estan formados por lentes, ya que cada lente tiene una función en cuanto a la vista como a la luz que entra en ellas.

    BIBLIOGRAFÍA

    • Serway, R. Física (Tomo II). McGraw-Hill México 1996, 4ta. Edición.

    • Kane, J. W. D Sternheim, M. M. Física. Ed. Reverté. 2º edición.

    • Resnick R. Física II (Tomo II). Continental México 1985. 4ta. Edición.