Informe De La Boratorio Reflexion Y Refraccion

INTRODUCCIÓN

En esta sesión veremos algunos de los fenómenos estudiados en óptica, la incidencia de la luz y la determinación de la naturaleza de esta.

Los puntos a estudiar son los fenómenos de Reflexión y refracción, siendo el primero nada más que los rayos de luz reflejados en una superficie. Estos rayos se denominan incidentes y los que salen de la superficie, reflejados.

La refracción también conocida como Ley de Snell, la que postula lo siguiente: un rayo luminoso viajando por un medio, encuentra a su paso otro medio con características ópticas diferentes, penetra en él experimentando el fenómeno de la refracción.

Veremos en este laboratorio como se presenta la reflexión y la refracción en diferentes materiales y condiciones, analizaremos comportamientos y trataremos de descubrir leyes que rijan el comportamiento de la luz sobre distintos materiales y medios.

El desarrollo del laboratorio viene dado como un elemento de aprendizaje y comunicación, con un desarrollo sistemático, donde realizaremos descripciones de experimentos, datos obtenidos, gráficos y análisis de resultados.

Teniendo presente que únicamente comprobaremos las diferentes teorías que existen sobre este fenómeno, puesto sabemos que estos conceptos serán de gran importancia a lo largo de nuestra carrera profesional.

MARCO TEÓRICO

Reflexión:

Se denomina reflexión de una onda al cambio de dirección que experimenta ésta cuando choca contra una superficie lisa y pulimentada sin cambiar de medio de propagación. Si la reflexión se produce sobre una superficie rugosa, la onda se refleja en todas direcciones y se llama difusión.

En la reflexión hay tres elementos: rayo incidente, línea normal o perpendicular a la superficie y rayo reflejado. Se llama ángulo de incidencia al que forma la normal con el rayo incidente y ángulo de reflexión al formado por la normal y el rayo reflejado.

Las leyes de la reflexión dicen que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión y que el rayo incidente, reflejado y la normal están en el mismo plano.

Reflexión especular: Ocurre cuando los rayos luminosos que caen en una superficie reflectora muy plana son reflejados de modo que el ángulo incidente es igual al ángulo reflejado.

Reflexión difusa: Ocurre cuando los rayos paralelos que caen en una superficie rugosa, reflejan los rayos luminosos con ángulos dispersos, de modo que no se puede observar una imagen en la superficie. Este fenómeno ocurre porque las macro o micro rugosidades desvían la luz en distintos ángulos. De todas maneras, en este caso también se cumple que los rayos incidentes individuales son reflejados con ángulos idénticos al incidente.

Reflexión especular Reflexión difusa

Ángulo de incidencia:

Se denomina ángulo de incidencia (o punto de incidencia) al punto de reflexión donde se ubica la normal de luz sobre algún objeto reflectivo cóncavo o convexo. El espejo convexo es un espejo de forma esférica y se pueden observar imágenes a la inversa.

Refracción:

La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda señalada.

Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado. También se produce refracción cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión total. Aunque el fenómeno de la refracción se observa frecuentemente en ondas electromagnéticas como la luz, el concepto es aplicable a cualquier tipo de onda.

La rapidez de propagación de la luz cambia según el medio por el que viaja. El índice de refracción relaciona la velocidad de la luz en el vacío con la velocidad de la luz en el medio.

En la ecuación:

c= es la velocidad de la luz en el vacío

v= velocidad de la luz en el medio

n= Índice de refracción

LEY DE SNELL

Es una fórmula utilizada para sacar el ángulo de refracción de la luz al atravesar la superficie de separación entre dos medios de propagación de la luz (o cualquier onda electromagnética) con índice de refracción distinto.

Consideremos dos medios caracterizados por índices de refracción y separados por una superficie S. Los rayos de luz que atraviesen los dos medios se refractarán en la superficie variando su dirección de propagación dependiendo del cociente entre los índices de refracción y .

Para un rayo luminoso con un ángulo de incidencia sobre el primer medio, ángulo entre la normal a la superficie y la dirección de propagación del rayo, tendremos que el rayo se propaga en el segundo medio con un ángulo de refracción cuyo valor se obtiene por medio de la ley de Snell.

Obsérvese que para el caso de (rayos incidentes de forma perpendicular a la superficie) los rayos refractados emergen con un ángulo para cualquier y .

La simetría de la ley de Snell implica que las trayectorias de los rayos de luz son reversibles. Es decir, si un rayo incidente sobre la superficie de separación con un ángulo de incidencia se refracta sobre el medio con un ángulo de refracción , entonces un rayo incidente en la dirección opuesta desde el medio 2 con un ángulo de incidencia se refracta sobre el medio 1 con un ángulo .

Una regla cualitativa para determinar la dirección de la refracción es que el rayo en el medio de mayor índice de refracción se acerca siempre a la dirección de la normal a la superficie. La velocidad de la luz en el medio de mayor índice de refracción es siempre menor.

OBJETIVOS:

Determinar la relación que existe entre la dirección del haz de luz que incide en un espejo plano y la dirección del haz reflejado.

Observar y analizar el fenómeno de la refracción de la luz aire- vidrio

Determinar el índice de refracción de vidrio y de agua.

DESCRIPCIÓN DE LA EXPERIENCIA

(Experiencia 1)

Consistió en observar que ocurría en el fenómeno de reflexión al ser experimentado en los espejos cóncavos y determinar que ocurría. Esto fue hecho colocando la luz de halógeno con el diafragma de varias puestas y siendo puestos los rayos en el sentido del espejo.

Espejo cóncavo: Se determinó que al colocar los rayos de luz que incidían en el espejo cóncavo, al ser reflejados se su separación era mayor a comparación del inicio que incidían sobre el espejo.

Espejo convexo: Se determinó que al colocar los rayos de luz que incidían en el espejo convexo, al ser reflejados estos se unían un mismo punto

Espejo plano: Se determinó que el rayo incidente y el rayo que reflejado tienen un mismo ángulo

(Experiencia 2)

Este experimento consistió en observar la aplicación de la primera ley de la reflexión que nos dice que el rayo incidente forma con la normal un ángulo de coincidencia que es igual al ángulo que forma el rayo reflejado con la normal, que se llama ángulo reflejado.

Para esto se usó el espejo plano y se ubicó en la línea vertical del disco óptico y se procedió a medir determinados ángulos, al ser puesto el rayo de luz en cada uno de los ángulos determinados el ángulo del rayo reflejado en el espejo era el mismo que el ángulo del rayo que incidía en este.

Teniendo en cuenta esta observación se determinó que la ley de la primera ley de reflexión si se cumple correctamente.

(Experiencia 3)

Se realizó este experimento para observar el fenómeno de la refracción de la luz y calcular mediante la ecuación de Snell, los índices de incidencia, refracción y velocidad de los rayos en diferentes medios (Agua y Vidrio).

Con el prisma semi-circular primero se midieron determinados ángulos y se determinó que el rayo de luz incidente sobre este cuerpo de vidrio no era el mismo que el ángulo refractado, es decir que sufría una desviación, siendo diferente el ángulo refractado a comparación del incidente. Entonces se dio por concluido que se cumple correctamente la refracción de la luz

Se repitió el mismo proceso con un cuerpo con agua en una fracción de este. Esto para determinar posteriormente los índices de refracción y velocidades en diferentes medios.

MATERIALES

(Para la reflexión)

Caja luminosa, halógena

Diafragma, ½ rendijas

Espejo sobre taco

Disco óptico

Fuente de alimentación

Papel blanco ( tamaño carta)

(Para la refracción)

Caja luminosa

Diafragma de ½ rendijas

Cuerpo óptico semi circular

Fuente de poder

Hoja de papel tamaño carta

TABLA DE RESULTADOS

(Reflexión)

Angulo de incidencia α Angulo de reflexión β

60° 60°

20° 20°

45° 45°

75° 75°

30° 30°

15° 15°

10° 10°

0° 0°

De estos datos podemos inferir que en los 2 ángulos los satos obtenidos fueron de igual valor ya que la segunda ley de reflexión menciona que un rayo incidente forma con la normal un ángulo de incidencia que es igual al ángulo que forma el rayo reflejado con la normal, llamado ángulo reflejado.

Con estos datos confirmamos esta segunda ley.

¿Qué relación existe entre el ángulo de luz incidente y el ángulo de luz reflejado?

R/ El ángulo de Reflexión es el mismo ángulo de incidencia.

A) ¿Cómo se refleja un haz que incide sobre el espejo en la línea de 0°?

¿Cuáles son los ángulos de incidencia y de reflexión para el este caso?

R/ a) Es paralela la reflexión, pero en dirección contraria.

b) Angulo de incidencia= 0° Angulo de reflexión=0°

¿En qué posición del papel se ve el haz de luz reflejado con la mayor claridad en toda su longitud?

R/ Cuando el papel se encuentra recto podemos ver el ángulo de reflexión debido a que todos los ángulos están en el mismo plano.

¿Qué conclusión puedes sacar de esto, sobre la posición relativa de los haces de luz incidente y reflejado?

R/Cuando sea perpendicular la reflexión, el haz de luz se ve, si la reflexión no es perpendicular el haz no se ve.

(Refracción)

Angulo de incidencia α Angulo de reflexión β

60° 35°

20° 13°

45° 28°

75° 40°

30° 20°

15° 10°

10° 5°

0° 0°

En el caso de la refracción apreciamos que los datos de los ángulos de incidencia son mayores a los ángulos de reflexión y esto se debe a que la refracción es el cambio de dirección y velocidad que experimenta un rayo de luz al pasar de un medio a otro de diferente naturaleza debido a sus las diferentes densidades de los cuerpos, podemos decir que por esto se debe la variación de resultados entre los ángulos de incidencia escogidos con respecto a los ángulos de refracción medidos. En este caso el rayo de luz paso del medio de aire hacia el vidrio.

Compare el ángulo de incidencia α con el ángulo de refracción β correspondiente. ¿Qué conclusión puede sacar?

R/ La diferencia del ángulo de incidencia y de refracción es mayor cuando el ángulo de incidencia es mayor y es menor cuando el ángulo de incidencia es menor.

Determine el índice de refracción, del vidrio y agua, así como la velocidad de la luz en estos medios, por medio de la ecuación de Snell y anote estos valores en las siguientes tablas.

Dónde:

α (grados): Corresponde al ángulo de incidencia escogido

β (grados): Corresponde al ángulo refractado medido con el disco óptico

Sin α: Corresponde al seno del ángulo de incidencia

Sin β: Corresponde al seno del ángulo refractado

n1: Corresponde índice de refracción del medio aire, establecido como 1

n2: Corresponde al índice de refracción del cuerpo de vidrio. Este será equivalente al seno al ángulo de incidencia

V1: Velocidad del rayo de luz en el medio del aire o el vacío. Establecido con un valor de 300.000 km/seg.

V2: Velocidad del rayo de luz en el medio del agua. Hallado mediante el despeje de la fórmula de índice de refracción.

Tabla de refracción (Vidrio)

Α

(Grados) β (Grados) Seno

α Seno

β n_1 n_2 V_1 V_2 %E

20° 13° 0.34 0.25 1 0.34 300.000 Km/seg 882.35 Km/seg 1.94%

30° 20° 0.5 0.34 1 0.5 300.000 Km/seg 600 Km/seg 1%

60° 35° 0.86 0.57 1 0.86 300.000 Km/seg 348.83 Km/seg 0.16%

75° 40° 0.96 0.64 1 0.96 300.000 Km/seg 312.5 Km/seg 0.014%

Tabla de refracción (Agua)

Α

(Grados) β (Grados) Seno

α Seno

β n_1 n_2 V_1 V_2 %E

15° 4 0.25 0.06 1 0.25 300.000 Km/seg 1200 Km/seg 3%

20° 14 0.34 0.24 1 0.34 300.000 Km/seg 882.35 Km/seg 1.94%

45° 32 0.70 0.52 1 0.70 300.000 Km/seg 428.37 Km/seg 0.42%

10° 7 0.17 0.12 1 0.17 300.000 Km/seg 1764.70 Km/seg 4.88%

CÁLCULOS

Para cuerpo de vidrio

V2 en ángulo incidente 20 grados y ángulo refractado 13 grados:

V2=(300.000 Km/seg)/0.34=882.35Km/seg

V2 en ángulo incidente 30 grados y ángulo refractado 20 grados:

V2=(300.000 Km/seg)/0.5=600Km/seg

V2 en ángulo incidente 60 grados y ángulo refractado 35 grados:

V2=(300.000 Km/seg)/0.86=348.83Km/seg

V2 en ángulo incidente 75 grados y ángulo refractado 40 grados:

V2=(300.000 Km/seg)/0.96=312.5Km/seg

Para cuerpo de agua

V2 en ángulo incidente 15 grados y ángulo refractado 4 grados:

V2=(300.000 Km/seg)/0.25=1200Km/seg

V2 en ángulo incidente 20 grados y ángulo refractado 14 grados:

V2=(300.000 Km/seg)/0.34=882.35Km/seg

V2 en ángulo incidente 45 grados y ángulo refractado 32 grados:

V2=(300.000 Km/seg)/0.70=428.57Km/seg

V2 en ángulo incidente 10 grados y ángulo refractado 7 grados:

V2=(300.000 Km/seg)/0.17=1764.70Km/seg

OBSERVACIONES

El grado de desviación del ángulo refractado se da dependiendo el medio por el que pase

Tanto como en la reflexión y la refracción. Es necesario que se produzcan en un mismo plano

Según el tipo de espejos podremos ver diferentes cambios en los varios rayos incidentes como una separación, unión o igualdad entre ellos al ser refractados

CONCLUSIONES

Determinados los índices de refracción, los valores de estos están sujetos al valor del grado refractado o incidente medido.

La velocidad del rayo varía dependiendo del índice de refracción medido y usado para calcular en la formula.

El fenómeno de la reflexión puede ser alterado, cambiando la forma de los rayos reflejados dependiendo el tipo de espejo que usemos, sea cóncavo, convexo o plano.

SOLUCIÓN HOJAS DE EVALUACIÓN

REFLEXIÓN:

Define que es reflexión difusa.

R/ Cuando un rayo de luz incide sobre una superficie "no pulida", los rayos no se reflejan en ninguna dirección, es decir se difunden. Esto se puede producir por ejemplo en la madera o el hielo.

¿Es valida la ley de la reflexión para la reflexión difusa?

R/ La primera ley es válida, porque los rayos se encuentran en el mismo plano, pero la segunda ley no, porque los ángulos de incidencia son diferentes a los ángulos de reflexión en la reflexión difusa debido a la rugosidad de la superficie.

¿Por qué la frecuencia no cambia en el fenómeno de la reflexión y como podría demostrarse?

R/ Debido a que cuando la onda pasa de un medio a otro, su frecuencia no cambia, pues tan pronto como llega a un frente de onda incidente, surge uno refractado. V=λ.f

¿En la reflexión la amplitud y la longitud cambian?

R/ La longitud y la amplitud cambian cuando pasa de un medio a otro en el aire

¿A qué se llama ángulo crítico?

R/ Se produce cuando un rayo de luz atraviesa un medio de índice de refracción n2 menor que el índice de refracción n1 en el que éste se encuentra, se refracta de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose completamente.

¿Cuál es el tipo de reflexión que nos permite ver los objetos y porque?

R/ la reflexión es la que nos permite ver los objetos. La luz incide en un objeto, rebota y es captada por nuestros ojos. Si no hay luz incidente no podemos ver un objeto, por ejemplo, no vemos una parte de la luna cuando está en cuarto creciente porque no le llegan los rayos del sol, aunque no hay nada que la tape desde la Tierra. Si dispusiéramos de foco suficientemente potente podríamos dirigirlo hacia esa zona oscura de la luna y una parte de la luz rebotaría en la luna y podríamos verla.

REFRACCIÓN:

Si la luz tuviera la misma rapidez en el aire que en el agua ¿se refractaria al pasar del aire al agua?

R/ Si. El ángulo de refracción es menor; esto significa que tiene el índice de refracción menor que el del aire. Aquí se aplica la ley Snell debido a índices de refracción distintos.

¿El espejismo es consecuencia de una refracción o una reflexión?

R/ El espejismo es producido por la reflexión de la luz cuando atraviesa capas de aire de diferentes densidades.

¿Qué observación puedes hacer con respecto al rayo refractado y el ángulo de refracción, cuando el rayo de luz pasa de un medio menos denso a uno más denso y viceversa? Explique su respuesta.

R/ El rayo refractado tendrá una posición diferente que el rayo incidente y un ángulo diferente que el incidente dependiendo de la densidad del medio por la cual vaya a pasar. Además dependiendo de la cantidad de partículas que tenga el medio que si son pocas la desviación será menor mientras que si son muchas la desviación será mayor con respecto al ángulo incidente inicial.

Explica el fenómeno del arco iris teniendo en cuenta la refracción.

R/ A Un rayo de luz solar, de los que "hacen" un arco iris, cambia su dirección tres veces mientras se mueve a través de una gota de lluvia: Primero entra en la gota, lo cual ocasiona que se refracte ligeramente. Entonces se mueve hacia el extremo opuesto de la gota, y se refleja en la cara interna de la misma. Finalmente, vuelve a refractarse cuando sale de la gota de lluvia en forma de luz dispersa. La descomposición en colores es posible porque el índice de refracción de la gota de agua es ligeramente distinto para cada longitud de onda, para cada color del arco iris.

Explique porque la longitud de onda y la amplitud cambia y la frecuencia no cambia en el fenómeno de la refracción.

R/ A La longitud de onda, la frecuencia y la velocidad de propagación se relacionan por:

Vp = λ f

Velocidad de propagación = longitud de onda x frecuencia

Al cambiar de un medio de cierta densidad óptica a otro medio de distinta densidad óptica (o sea con distinto índice de refracción) la luz cambia su velocidad.

Para una misma frecuencia esto significa que cambia la longitud de onda:

λ = Vp / f

Explica porque la frecuencia no cambia en el fenómeno de la refracción

R/ La frecuencia no varía porque es una característica innata del emisor.

Si la velocidad de propagación es el producto de la longitud de onda por la frecuencia, y la velocidad de propagación varía mientras que la frecuencia no lo hace, entonces la longitud de onda debe variar para mantener constante la frecuencia.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Páginas web:

http://www.fisic.ch/cursos/primero-medio/refracci%C3%B3n-de-la-luz-y-ley-de-snell/

http://llenodefisica.blogspot.com/2012/05/ley-de-snell.html

http://html.rincondelvago.com/reflexion-y-refraccion_2.html

http://calculadora-cientifica.blogspot.com/

Libros:

Física universitaria – Sears Semansky

Física 1 – Raymon Serway

Física conceptual – Paul Hewitt

...