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Óptica

Código: 100156 Créditos ECTS: 9
2024/2025
Titulación Tipo Curso
2500097 Física OB 3

Contacto

Nombre:
Angel Lizana Tutusaus
Correo electrónico:
angel.lizana@uab.cat

Equipo docente

Juan Ignacio Pedro Campos Coloma
Irene Estevez Caride
Ivan Montes Gonzalez

Idiomas de los grupos

Puede consultar esta información al final del documento.


Prerrequisitos

No se impone ningún prerrequisito, pero sería conveniente que el estudiante haya cursado la asignatura de Electromagnetismo, la de Ondas y Óptica, y las de matemáticas de los cursos anteriores.


Objetivos y contextualización

El objetivo general de la asignatura es el de presentar al estudiante una panorámica general del campo de la óptica clásica que abarca desde los instrumentos ópticos hasta los fenómenos de interferencia y difracción. La óptica cuántica será el objeto de otra asignatura del Grado de Física. La asignatura de Óptica, además de proporcionar unos conocimientos básicos del campo, sirve para ilustrar al alumno cómo se pueden describir diferentes fenómenos utilizando diferentes modelos: Modelo electromagnético, modelo ondulatorio, modelo geométrico, etc. Esta visión ayuda al objetivo transversal de saber identificar un problema, y plantear la metodología más adecuada para resolverlo.

Esta asignatura está muy interrelacionada con el laboratorio de Óptica que se imparte en el mismo semestre, formando ambas un conjunto temático

Mediante el modelo geométrico se introducirán los conceptos necesarios para entender los instrumentos ópticos básicos: Ojo humano, cámara fotográfica, telescopio, microscopio.

Mediante la teoría electromagnética de la luz se estudiarán los distintos tipos de materiales, haciendo especial hincapié en los medios isótropos, y en los anisótropos homogéneos y lineales. En los medios dieléctricos se introducirá el modelo clásico de Lorentz para explicar la dispersión.

Finalmente mediante el modelo ondulatorio se estudiarán los fenómenos de interferencia y difracción de la luz.


Competencias

  • Conocer y comprender los fundamentos de las principales áreas de la física.
  • Desarrollar estrategias de análisis, síntesis y comunicación que permitan transmitir los conceptos de la Física en entornos educativos y divulgativos.
  • Formular y abordar problemas físicos identificando los principios más relevantes y usando aproximaciones, si fuera necesario, para llegar a una solución que debe ser presentada explicitando hipótesis y aproximaciones.
  • Razonar críticamente, poseer capacidad analítica, usar correctamente el lenguaje técnico, y elaborar argumentos lógicos.
  • Usar las matemáticas para describir el mundo físico, seleccionando las herramientas apropiadas, construyendo modelos adecuados, interpretando resultados y comparando críticamente con la experimentación y la observación.

Resultados de aprendizaje

  1. Aplicar la transformada de Fourier para describir ondas policromáticas y para describir el fenómeno de la difracción.
  2. Calcular la dirección de propagación de las ondas transmitidas en medios anisótropos.
  3. Calcular la energía transportada por un haz.
  4. Calcular la figura de difracción producida por diferentes aperturas, aplicando las aproximaciones convenientes.
  5. Calcular la figura de interferencia producida en diferentes interferómetros y determinar los cambios en la misma al variar algunos parámetros del sistema.
  6. Calcular la refracción de una onda plana en un medio anisótropo y los desfases producidos.
  7. Calcular las ondas transmitidas y reflejadas en una superficie de separación entre dos medios isótropos y evaluar el estado de polarización de las mismas.
  8. Describir el fenómeno de difracción de la luz.
  9. Describir el funcionamiento de las láminas retardadoras.
  10. Describir el modelo clásico de Lorentz de la interacción luz-materia.
  11. Describir la polarización inducida en un medio dieléctrico y el índice de refracción complejo.
  12. Describir las condiciones de propagación de una onda en un medio anisótropo (onda ordinaria y extraordinaria).
  13. Describir las condiciones para que se produzcan interferencias estables.
  14. Describir las ecuaciones de Maxwell y la obtención, a partir de ellas, de la ecuación de ondas electromagnéticas.
  15. Describir los diferentes dispositivos para producir interferencias.
  16. Describir los efectos que modifican el elipsoide de índices de un material.
  17. Describir los estados de polarización de la luz.
  18. Describir los fenómenos de refracción y reflexión en medios isótropos.
  19. Describir los métodos para evaluar la difracción producida por diferentes aperturas.
  20. Describir los principales tipos de frentes de onda y la solución armónica de la ecuación de ondas.
  21. Determinar el estado de polarización de un haz antes y después de atravesar una lámina retardadora.
  22. Evaluar la resolución de sistemas ópticos teniendo en cuenta sus dimensiones.
  23. Identificar fenómenos ópticos al observar la naturaleza y explicarlos con claridad en entornos no especializados.
  24. Razonar críticamente, poseer capacidad analítica, usar correctamente el lenguaje técnico, y elaborar argumentos lógicos.
  25. Usar de la representación compleja de las ondas armónicas.
  26. Usar la ecuación de ondas y las soluciones generales de la misma.

Contenido

  1. Ondas:
    1. Ecuación del movimiento ondulatorio. Ondas planas, ondas esféricas.
    2. Solución armónica de la ecuación de ondas. Análisis de Fourier.
    3. Superposición de ondas de la misma frecuencia.
    4. Superposición de ondas de diferente frecuencia. Velocidad de fase y velocidad de grupo.
    5. Superposición de ondas con los vectores eléctricos perpendiculares.
  2. Teoría electromagnética de la luz. Ondas Electromagnéticas:
    1. Ecuaciones de Maxwell macroscópicas. La respuesta del material. Relaciones energéticas.
    2. Ondas electromagnéticas. Medio lineal homogéneo e isótropo. Transversalidad de las ondas planas. Transporte de energía.
  3. Medios isótropos:
    1. Reflexión y refracción en dieléctricos. Fórmulas de Fresnel.
    2. Medios dieléctricos. Polarización inducida. Modelo del dipolo clásico de Lorentz.
    3. Propagación y difusión de un haz luminoso.
  4. Óptica Geométrica. Aproximación paraxial:
    1. Principio de Fermat. Ecuación de la trayectoria. Propagación en medios no uniformes.
    2. Formación de imagen en óptica geométrica.
    3. Óptica paraxial. Invariante de Abbe. Aumentos.
    4. Sistemas centrados. Focos y planos focales. Planos y puntos principales. Lentes delgadas. Acoplamiento de sistemas.
  5. Instrumentos Ópticos:
    1. El ojo humano.
    2. Instrumentos fotográficos y de proyección.
    3. Telescopios.
    4. Instrumentos de visión cercana: Lupa, microscopio compuesto.
  6. Medios anisótropos. Polarización:
    1. Susceptibilidad eléctrica. Elipsoide de índices.
    2. Ecuación de ondas en medios anisótropos. Condiciones de propagación.
    3. Refracción en un medio anisótropo. Construcción de Fresnel. Construcción con el eliposide de índices.
    4. Retardadores.
    5. Medios anisótropos absorbentes.
  7. Interferencia:
    1. Principios generales. Condiciones de interferencia.
    2. Interferencia por división del frente de ondas: Franjas de Young, Dispositivos prácticos.
    3. Interferencias por división de amplitud. Interferómetro de Michelson.
    4. Interferencias de múltiples haces obtenidos por división de amplitud. Interferómetro de Fabry-Perot.
  8. Difracción:
    1. Principio de Huygens-Fresnel.
    2. Difracción de Fresnel y de Fraunhofer.
    3. Difracción de Fraunhofer por una abertura: Abertura rectangular, abertura circular. Limitación del poder resolutivo de los instrumentos.
    4. Difracción de Fraunhofer por varias aberturas: Doble rendija, Red de difracción.
    5. Introducción a la teoría escalar de Kirchhoff.

Actividades formativas y Metodología

Título Horas ECTS Resultados de aprendizaje
Tipo: Dirigidas      
Clases de problemas 25 1 1, 22, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 11, 19, 14, 10, 12, 13, 16, 9, 20, 18, 8, 17, 15, 21, 24, 25, 26
Clases de teoría 50 2 1, 22, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 11, 19, 14, 10, 12, 13, 16, 9, 20, 18, 8, 17, 15, 21, 24, 25, 26
Tipo: Supervisadas      
Fotografías de fenómenos ópticos en la naturaleza 5 0,2 23, 24
Tutorías 4,5 0,18 24
Tipo: Autónomas      
Estudio personal 80 3,2 11, 19, 14, 10, 12, 13, 16, 9, 20, 18, 8, 17, 15, 24
Realización de problemas 51 2,04 1, 22, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 21, 24, 25, 26

CLASES TEÓRICAS

En este tipo de actividad se impartirán los conceptos de la asignatura. Las transparencias que se utilizarán se colocarán en el campus virtual.

Se intentará la participación del estudiante animándolo a hacer preguntas sobre las dudas que se le puedan plantear, y realizandoles preguntas para seguir su comprensión de los conceptos expuestos.

CLASES DE PROBLEMAS

Se utilizarán para poner en práctica los conceptos desarrollados en teoría, con la finalidad de identificar el tipo de problema, y la metodología más adecuada para su resolución. Los enunciados de los mismos se colocarán en el campus virtual con suficiente antelación para que el alumno intente resolverlos y pueda plantear dudas durante la clase.

REALIZACIÓN DE FOTOGRAFÍAS

En este tipo de actividad se pretende desarrollar la capacidad de observación del estudiante y relacionar los fenómenos de la naturaleza con los conceptos estudiados en la asignatura

Nota: se reservarán 15 minutos de una clase dentro del calendario establecido por el centro o por la titulación para que el alumnado rellene las encuestas de evaluación de la actuación del profesorado y de evaluación de la asignatura o módulo.


Evaluación

Actividades de evaluación continuada

Título Peso Horas ECTS Resultados de aprendizaje
1er Examen parcial 40 2,25 0,09 1, 22, 3, 7, 11, 14, 10, 20, 18, 17, 24, 25, 26
2do Examen parcial 40 2,25 0,09 2, 4, 5, 6, 19, 12, 13, 16, 9, 8, 15, 21, 24
Examen de recuperación de los parciales 80 3,5 0,14 1, 22, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 11, 19, 14, 10, 12, 13, 16, 9, 20, 18, 8, 17, 15, 21, 24, 25, 26
Presentación de las fotografías 20 1,5 0,06 23, 24

La evaluación de la asignatura se realizará según la ponderación siguiente:

  • Pruebas escritas (80%)
    • Primer parcial o recuperación (40%)
    • Segundo parcial o recuperación (40%)
  • Fotografías de Fenómenos Ópticos (20%)

 PRUEBAS ESCRITAS

En estas pruebas escritas se evalúan los contenidos adquiridos por el alumno, así como su capacidad de análisis, síntesis, y de razonamiento.

PRUEBAS ESCRITAS PARCIALES

Se realizarán dos pruebas parciales. La materia evaluada será la correspondiente a los temas dados en ese periodo y que se anunciarán con antelación suficiente.

El alumno que apruebe los parciales no tendrá la obligación de presentarse al examen final. Cada una de estas pruebas cuenta el 40% de la nota final. Si se saca una nota inferior a 4 puntos en un examen parcial, dicho parcial deberá obligatoriamente recuperarse en el examen final.

 PRUEBA ESCRITA FINAL

Constará de dos partes, cada una de ellas correspondientes a los parciales anteriores.

A cada una de las partes se tendrán que presentar los alumnos que no hayan superado el parcial correspondiente (nota menor a 4), o que no se hayan presentado.

Un estudiante que ha aprobado un parcial, puede presentarse a la correspondiente parte del final. En este caso, la nota que contará será la del final.

ACTIVIDADES RELACIONADAS CON FENÓMENOS ÓPTICOS

En este apartado se evaluará la capacidad de observación del alumno y de relacionar los conceptos estudiados con fenómenos dela naturaleza.

Cada estudiante deberá presentar 6 fotografías originales (realizadas por ellos mismos) de fenómenos naturales relacionados con los conceptos estudiados en la asignatura. No valen fotos obtenidas en el laboratorio, ni bajadas de internet (en este caso la nota correspondiente a las fotos será de 0). Además, deberá dar una breve explicación (alrededor de una hoja) del fenómeno analizado.

Cada una de las 6 fotografías debe dedicarse a un fenómeno diferente. Se presentarán por internet 3 fotos al final de cada semestre (antes del correspondiente examen parcial) en formato pdf o word.

EL nombre de los ficheros sera: Nombre_Apellido_n...

n será igual a 1 ò 2 según sea la entrega del primer semestre o la del segundo. 

Esta entrega se complementará con un conjunto de actividades, como presentaciones orales, simulaciones por ordenador de fenómenos, etc., que se comentarán el primer día de clase.

EVALUACIÓN ÚNICA

El alumnado que se haya acogido a la modalidad de evaluación única deberá realizar una prueba final que consistirá en un examen de teoría en el que deberá responder a una serie de cuestiones relacionadas con el temario de curso. Seguidamente, deberá realizar una prueba de problemas donde deberá resolver una serie de ejercicios similares a los que se han trabajado en las sesiones de Prácticas de Aula. Cuando haya finalizado, entregará un informe con seis fotografías de fenómenos ópticos realizadas por él/ella mismo/a (y su correspondiente descripción), con un máximo de 6 hojas de extensión, y deberá realizar una breve exposición oral para comentar los fenómenos. Estas pruebas se llevarán a cabo en el mismo día, hora y lugar que las pruebas del segundo parcial de la modalidad de evaluación continua.

La calificación del estudiante será la media ponderada de las tres actividades anteriores, donde el examen de teoría supondrá el 30% de la nota, el examen de problemas el 40% y la entrega/defensa de fenómenos ópticos el 10%.

Si la nota final no alcanza el 5, el estudiante tiene otra oportunidad de superar la asignatura mediante el examen de recuperación que se celebrará en la fecha que fije la coordinación de la titulación. La nota final de la asignatura será la nota del examen de recuperación.


Bibliografía

LIBROS DE TEORÍA

  • J. Casas. Óptica. Universidad de Zaragoza
  • E. Hecht. Optics. Addison-Wesley Publishing Company.
  • M.V. Klein, T. E. Furtak. Optics. John Wiley & Sons
  • Keigo Iizuka, Elements of Photonics Volume 1. John Wiley & Sons, Inc. ISBNs: 0-471-83938-8 (Hardback); 0-471-22107-4 (Electronic)
  • R. Guenter. Modern Optics. John Wiley & Sons
  • B.E.A. Saleh, M.C. Teich, Fundamentals of Photonics, second edition. John Wiley & Sons. ISBN: 978-0-471-35832-9 
  • F.G. Smith, J.H. Thomson, Optics, John Wiley & Sons Ltd. ISBN 0 471 91534 3

 LIBROS DE PROBLEMAS

  • E. Hecht. Teoría y Problemas de Óptica. MacGraw-Hill
  • M. López, J.L. Díaz, J.M. Jiménez. Problemas de Física volumen V. Óptica. Editorial Romo.
  • M. Fogiel, THE OPTICS PROBLEM SOLVER, Research and Education Association. ISBN: 0-87891-526-5 
  • Lim Yung-kuo,  Problems and Solutions on Opticsm. World Scientific. ISBN: 981-02-0438-8

 

RECURSOS ELECTRÓNICOS

Applets en Matlab de Óptica: http://sedoptica.es/appletsmatlab

Applets en java de Óptica:  http://www.ub.es/javaoptics/index-en.html

Applets en java de Física: http://www.walter-fendt.de/ph14s/

Campus virtual: Applets en LabView y Vídeos sobre algunos fenómenos


Software

Applets de fenómenos ópticos en Matlab


Lista de idiomas

Nombre Grupo Idioma Semestre Turno
(PAUL) Prácticas de aula 1 Español anual manaña-mixto
(PAUL) Prácticas de aula 2 Español anual manaña-mixto
(TE) Teoría 1 Español anual manaña-mixto
(TE) Teoría 2 Catalán anual manaña-mixto