fisica4 optica

INSTITUTO POLITECNICO NACIONALSECRETARIA ACADEMICA

DIRECCION DE ESTUDIOS PROFESIONALES

ESCUELA: SUPERIOR DE FISICA Y MATEMATICASCARRERA: LIC. EN FISICA Y MATEMATICASESPECIALIDAD: COORDINACION: FISICA GENERALDEPARTAMENTO: FISICA

ASIGNATURA: FISICA IVCLAVE: 0420 SEMESTRE: 4o.CREDITOS: 12 VIGENTE: 94/95TIPO DE ASIGNATURA: OBLIGATORIAMODALIDAD: ESCOLARIZADO

FUNDAMENTACION DE LA ASIGNATURA La asignatura Física IV es uno de los cursos básicos en el plan de estudios de la carrera. Eneste curso se estudian fenómenos físicos fundamentales relacionados con la propagación e interaccióncon la materia de la radiación electromagnética en la región visible del espectro (Optica). Losfenómenos que se estudian son aquellos que tienen interpretación dentro del marco de la teoríaelectromagnética clásica. La asignatura está seriada con los cursos de Física I, II y III del plande estudios. Los cursos de Física II y III están particularmente conectados conceptualmente con Física IV,ya que en sus contenidos se consideran los temas de ondas mecánicas (Física II) y de los fundamentosde la teoría electromagnética clásica (Física III). La asignatura Física IV es además prerrequisitopara varios cursos del plan de estudios: Física Teórica I, Introducción a Física Moderna,Laboratorio I, Física Teórica II y Física Teórica III.

OBJETIVO GENERAL El estudiante deberá disponer de una teoría clásica, basada en la interpretación ondulatoria dela luz, que le permita comprender y explicar las leyes de la Optica, así como los fenómenos dePolarización, Interferencia y Difracción. Asimismo, deberá tener claro bajo que condicionesespecíficas, esta teoría se reduce a la Optica geométrica.

TIEMPOS TOTALES ASIGNADOS: HRS./SEMESTRE:120 HRS/SEMANA:6HRS./TEORIA/SEMESTRE: 120 HRS./PRACTICA/SEMESTRE: 0

PROGRAMA ELABORADO O ACTUALIZADOPOR: ACADEMIA DE FISICA GENERALREVISADO POR: DEPTO. DE FISICAAPROBADO POR: CONS. TEC. CONS. ESC.

AUTORIZADO POR:

M. en C. OLGA L. HERNANDEZ CH. DIRECTORA

ASIGNATURA: FISICA IV CLAVE: 0420 HOJA 2 DE 5

No.UNIDAD: I NOMBRE: OPTICA GEOMETRICA

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD A través de una breve introducción histórica, el alumno tendrá una perspectiva del cono-cimientoactual sobre la naturaleza de la radiación electromagnética y de las limitaciones del tratamientoconsiderado en el curso. El estudiante deberá familiarizarse con la naturaleza ondulatoria de la radiación electro-magnética. Se estudiarán las leyes de la Optica y se introducirá el concepto de rayo de luzespecificando claramente sus limitaciones. Usando este concepto se estudiará la refracción yreflexión de la luz en superficies, lentes, etc. Se describirán los principios de funcionamiento dealgunos instrumentos ópticos.

# DE TEMA TEMAS INSTRUMENTACION DIDACTICA H/T H/P E.C. CLAVE B.

I.1

I.2

I.3

I.4

I.5

Breve introducción histórica.

Principio de Fermat. Ley de la Refle-xión, Ley de la Refracción, Ley de Malus-Dupin.

Optica Gaussiana, consideraciones gene-rales, la aproximación paraxial. Lasmatrices fundamentales: matriz de tras-lación, matriz de reflexión, matriz derefracción. La matriz de un sistemaóptico. Discusión de los elementos de lamatriz de un sistema óptico. PuntosCardinales de un sistema óptico. Rela-ción general Objeto-Imagen. Ecuación delfabricante de lentes. Formas Gaus-siana yNewtoniana de la relación objeto-imagenpara una lente delgada. Diafragmas yPupilas.

Aberraciones de primer orden y de ter-cerorden o de Seidel.

Instrumentos Opticos. Microscopio, te-lescopio, binoculares, cámara foto-gráfica, el ojo humano como instru-mento.

El profesor expondrá en el pi-zarrón y auxiliado por materialdidáctico, los desarrollos mate-máticos involucrados con el tema ydiscutirá a fondo las ideas fí-sicas. Resolverá problemas comoejemplo, en los cuales pedirá laparticipación de los estudiantespara profundizar en la compren-sión del tema. Dejará problemasque resolverá el alumno como tra-bajo extra-clase. El profesorpropiciará la discusión y eltrabajo en equipo.

2

2

20

4

4

0

2

4

2

2

1,6

1

2,7

6

1,4,6


No.UNIDAD: II NOMBRE: OPTICA FÍSICA

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El estudiante conocerá un modelo clásico de la luz, en el cual se establecerá la ecuación deonda así como su solución. El estudiante describirá como se propaga la luz en el vacío y comointeractúa con la materia. Deberá estar familiarizado con el concepto de superposición y con elcarácter vectorial de la luz, a partir del cual describirá sus posibles estados de polarización. Elestudiante comprenderá el fenómeno de interferencia así como los procesos a través de los cualesocurre, y a partir de ello comprenderá la naturaleza ondulatoria de la luz. El estudiante comprenderáy describirá el fenómeno de la Difracción de la luz en términos de su naturaleza ondulatoria. Seestudiarán los patrones de difracción de Fraunhofer para diferentes aperturas y las propiedades delas redes de difracción.


II.1

II.2

Conceptos matemáticos del movimientoondulatorio. Ecuación de onda y susolución. Ondas armónicas. Ondas planas,frente de onda, ondas esféricas y ondascilíndricas. Representación compleja.Superposición de ondas, de la mismafrecuencia y distinta frecuencia.Velocidad de fase y velocidad de grupo.Series de Fourier. Transformada deFourier. Longitud de coherencia y anchode banda.

Propagación de la luz. Ecuaciones deMaxwell. La luz como onda electro-magnética. La interacción de la luz conla materia. Ecuación de Dispersión.Densidad de flujo. Ecuaciones de Fresnel.Angulo crítico y ángulo de Brewster.Reflexión total interna. Representaciónde Stokes.

El profesor expondrá en el pi-zarrón y auxiliado por materialdidáctico, los desarrollos mate-máticos involucrados con el tema ydiscutirá a fondo las ideas fí-sicas. Resolverá problemas comoejemplo, en los cuales pedirá laparticipación de los estudiantespara profundizar en la compren-sión del tema. Dejará problemasque resolverá el alumno como tra-bajo extra-clase. El profesorpropiciará la discusión y el tra-bajo en equipo.

12

10

4

4

1,4

1


No.UNIDAD: II NOMBRE: OPTICA FÍSICA


II.3

II.4

II.4.1

II.4.2

II.4.3

II.5

II.5.1

Polarización. La luz como movimientoondulatorio transversal. Polarizaciónlineal, circular y elíptica. Procesos depolarización: Dicroísmo, Birre-fringencia,Esparcimiento y Reflexión. Polarizadores.Ley de Malus. Placa de cuarto de onda,retardadores,etc. Representación matricialde la polarización. Estados ortogonales yestados propios. Vectores y Matrices deJones. Parámetros de Stokes

Interferencia. Condiciones para lainterferencia de ondas.

Interferencia por división de frente deonda. Interferencia de dos fuentespuntuales. Experimento de Young, espejo deLloyd, biprisma de Fresnel y doble espejode Fresnel.

Interferencia por división de amplitud.Interferómetro de Michelson-Morley,Interferencia en una capa dieléctrica,franjas de igual inclinación, franjas deigual espesor. Anillos de Newton.

Interferencia de haces múltiples.Interferómetro de Fabry-Perot. Poder deresolución cromática.Difracción. Condiciones Generales.Principio de Huygens-Fresnel. Difrac-ciónde Fraunhofer y de Fresnel.Difracción de Fraunhofer. Una rendija,abertura rectangular, abertura circular yrendijas múltiples. Principio de Babinet.Resolución óptica, criterio de Rayleigh.Redes de difracción y su potencia deresolución.

El profesor expondrá en el pi-zarrón y auxiliado por materialdidáctico, los desarrollos mate-máticos involucrados con el temay discutirá a fondo las ideasfísicas. Resolverá problemas comoejemplo, en los cuales pe-dirá laparticipación de los estudiantespara profundizar en lacomprensión del tema. Dejaráproblemas que resolverá el alumnocomo trabajo extra-clase. Elprofesor propiciará la discu-sióny el trabajo en equipo.

8

4

6

5

5

4

6

4

1

2

2

2

2

2

1,3

1

1,4

1,4

1,4

1,3,4

1,3,4


PERIODO UNIDADESTEMATICAS

PROCEDIMIENTOS DE EVALUACION

5a SEMANA

10a SEMANA

15a SEMANA

20a SEMANA

UNIDAD I

SECC. II.1

SECC. II.2 YII.3

SECC. II.4 YII.5

EXAMEN DE 4 O 5 PROBLEMAS EVALUADOS CON PESOS A CRITERIO DEL PROFESOR. DURACION 2 HORAS.




CLAVEB C

B I B L I O G R A F I A

1X

E. Hecht y A. Zajac, Optica, ed. Fondo Educativo Interamericano, 1977

2X

J. W. Simmons and M. J. Guttmann, STATES, WAVES AND PHOTONS: A ModernIntroduction to Light, ed. Addison-Wesley Publishing Company, 1970.

3X

G. R. Fowles, Introduction to Modern Optics, ed. Dover.

4X

Jenkins and White, Fundamentals of Optics, ed. Mc. Graw-Hill InternationalEditions, 4a Edición 1981.

5X

B. Rossi, Fundamentos de Optica, ed. Reverté, 1978.

6X

D. Malacara, Optica Básica, ed. Fondo de Cultura Económica, 1989.

7X

M.V. Klein, Optics, ed. John Wiley & Sons., Inc, 1970.

8X

M. Born and E. Wolf, Principles of Optics, ed. Maxwell MacMillan InternationalEditions, 6a Edición 1989.

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