Física (plan 2002) 2023-1

Quinto Semestre, Óptica

Este semestre el curso se dará de manera presencial por disposición del Consejo Técnico de la Facultad de Ciencias. La modalidad podrá ser modificada de acuerdo a las condiciones de prevención sanitaria y a las dispocisiones de las autoridades Unibersitarias. Para ello, todo el material relacionado con la clase está disponible en Google Classroom, clave b77sdyw. Incluye presentaciones y sus videos, notas y tareas. Para los interesados será necesario, además de inscribirse en el grupo, registrarse en el aula virtual mencionada. En caso de presentar síntomas de covid-19 se pide a los estudiantes seguir la clase utilizando el material en línea durante la cuarentena correspondiente.

Nos reuniremos en el horario y salón asignados por la facultad. Los jueves tendremos una sesión de ejercicios. Será asignada una tarea semanal que deberán entregar en formato pdf por medio de la plataforma Classroom. Las calificaciones de las tareas serán enviadas por los ayudantes una semana después de entregadas.

Tendremos dos exámenes/tarea parciales. El primero cubrirá el material de óptica geométrica; el segundo ondas interferencia y difracción, ondas electromagnéticas y polarización. Los problemas de los exámenes se basarán en los de las tareas y en los ejercicios de clase.

Al finalizar la parte referente a óptica geométrica los estudiantes presentarán trabajos que cubran el tema INSTRUMENTOS OPTICOS. Este trabajo será asignado a grupos integrados por no más de tres estudiantes, su extensión deberá ser de 6 cuartillas únicamente de texto sin contar imágenes cubriendo TODOS los siguientes temas: (1) El ojo humano. (2) Ojos de animales. (3) Defectos de refracción del ojo humano y su corrección. (4) Telescopio. (5) Microscopio. (6) Cámara reflex. Sortearemos entre los grupos los temas para que posteriormente todos sean presentados en clase. Durante las presentaciones también se tomará en cuenta la participación de no presentadores.

La calificación final se obtendrá mediante el siguiente promedio pesado:

- 30 % Primer parcial

- 30 % Segundo parcial

- 30 % Promedio de las tareas

- 10 % Trabajo

La óptica es una de las ramas más antiguas de la física. También es una rama que se encuentra en gran actividad, tanto por su importancia en el estudio a nivel básico del comportamiento de la naturaleza como por su gran cantidad de aplicaciones tecnológicas.

Esta es la única materia obligatoria de óptica que se imparte en la carrera de física de la Facultad de Ciencias de la UNAM. Cubre exclusivamente lo que se conoce como óptica clásica. Se imparte en el quinto semestre de la carrera. Se supone que el estudiante cuenta con las herramientas matemáticas básicas (geometría analítica, cálculo, álgebra, ecuaciones diferenciales) y además ha llevado una clase de teoría electromagnética. En el curso se desarrollarán algunas herramientas matemáticas más, de gran utilidad en el resto de la carrera. Es el caso, por ejemplo, de los rudimentos del análisis de Fourier. La óptica se encarga del estudio de la radiación electromagnética. La óptica clásica se basa en la teoría electromagnética clásica que tiene su cúspide en las ecuaciones de Maxwell. Por tanto el objeto de estudio de la óptica clásica es el comportamiento de las ondas electromagnéticas. La óptica jugó un papel central en la gran revolución científica que tuvo lugar a principior del siglo XX. Los extraordinarios experimentos de interferencia de Michelson establecieron sin lugar a dudas la constancia de la velocidad de propagación de la luz, que se convirtió en un postulado central de la teoría especial de relatividad. El estudio de la radiación de cuerpo negro, de la interacción de radiación con materia dando lugar al efecto fotoeléctrico y de los espectros de absorción y emisión de luz por átomos fueron fundamentales para el establecimiento de la mecánica cuántica. La importancia de la óptica en la física contemporánea es aún más vigente. Baste recordar que el premio Nobel en 2005 se otorgó a investigadores que realizaron importantes contribuciones en óptica cuántica y espectroscopia de precisión. El premio Nobel 2018 correspondió al invento de las pinzas ópticas por Arthur Ashkin y el método de amplificación de pulsos por gorgeo de Mourou y Strickland. Las aplicaciones tecnológicas de la óptica también crecen día con día. Las telecomunicaciones actuales son impensables sin el uso extendido de fibras ópticas. Los láseres tienen aplicaciones en repetidores de información, en reproductores de discos compactos, DVD y blu-ray. También se encuentran en quirófanos o como herramientas potentes y precisas en distintas
ramas de la industria. Las mediciones más precisas (de longitud, tiempo y aún de masa) requieren de láseres. El Sistema Internacional de Unidades, que acaba de ser redefinido en mayo de 2019, basa las nuevas unidades en mediciones precisas de frecuencia. Las pantallas de cristal liquido funcionan gracias a la polarización de la luz. Los CCD (charge coupled devices) nos permiten adquirir, procesar y guardar imágenes de maneras insospechadas hace un par de décadas. Por esta razón sus descubridores recibieron el premio Nobel en 2009. Es importante entonces que nos tomemos muy en serio el estudio de la óptica.
La óptica clásica se divide, de manera natural, en óptica geométrica y óptica física. En óptica geométrica se estudia la propagación rectilínea de la luz, y sus modificaciones al atravesar distintos medios transparentes. La óptica geométrica permite describir el funcionamiento de muy diversos sistemas y aparatos, como son el ojo, el microscopio, el telescopio, y la cámara fotográfica. En la óptica física se estudia en detalle la naturaleza ondulatoria de la radiación electromagnética. Que la luz son ondas es evidente cuando se estudia la superposición de ondas (interferencia) o en su comportamiento cuando pasa un obstáculo de tamaño comparable a su longitud de onda (difracción). La polarización se debe a la naturaleza vectorial de los campos eléctrico y magnético que constituyen a las ondas
electromagnéticas.