Laboratorio de Física IV

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Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Física y Matemáticas

Ciudad de México

Laboratorio de Física IV

Fecha de elaboración: 23/Enero/2020

Fecha de entrega: 30/Enero/2020

García Díaz Israel

Juárez Benítez Martín Alberto

Muñoz Jasso Etienne Manuel

Pérez Rico Jorge Ángel

Grupo: 4FV2B

Objetivo

• Determinar el índice de refracción de diversas sustancias por varios métodos.

Pregunta de Investigación

• ¿Hay un cambio significativo en los índices de refracción obtenidos experimentalmente en distintos materiales?

Resumen

Nuestro reflejo en el espejo del baño, la vista de la Luna a través de un telescopio, los dibujos geométricos que se ven en un caleidoscopio: todos son ejemplos de imágenes. En cada caso, el objeto que miramos parece estar en un lugar diferente de su posición real: nuestro reflejo está del otro lado del espejo, la Luna parece estar más cercana cuando la vemos a través de un telescopio, y los objetos que se ven en un caleidoscopio parecen hallarse en muchos lugares al mismo tiempo. En todos los casos, los rayos de luz provenientes de un punto de un objeto se desvían por reflexión o refracción (o una combinación de ambas), de tal forma que convergen hacia un punto denominado punto de imagen, o parecen divergir con respecto a éste. Nuestro objetivo en este capítulo es ver cómo ocurre esto y explorar los diferentes tipos de imágenes que se forman mediante dispositivos ópticos simples.

Para comprender las imágenes y su formación, sólo necesitamos el modelo de rayos de la luz, las leyes de reflexión y refracción, y un poco de geometría y trigonometría simples. El papel fundamental que desempeña la geometría en nuestro análisis es la razón por la que se da el nombre de óptica geométrica al estudio de la formación de imágenes mediante rayos luminosos.

En esta práctica se buscará verificar la ley de reflexión y refracción aceptadas como parte del marco teórico estudiado en el curso de Física IV. Por lo que en los primeros experimentos se obtendrá el valor del índice de refracción de algunos materiales y se comparará con datos de manuales de constantes físicas.

Introducción

Ley de reflexión

El ángulo de reflexión  es igual al ángulo de incidencia  para todas las longitudes de onda y para cualquier par de materiales. Es decir:[pic 3][pic 4]

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Ley de refracción

Para la luz monocromática y para un par dado de materiales, a y b, en lados opuestos de la interfaz, la razón de los senos de los ángulos  y , donde los dos ángulos están medidos a partir de la normal a la superficie, es igual al inverso de la razón de los dos índices de refracción:[pic 6][pic 7]

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O bien,

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Reflexión interna total

En la figura se ilustran varios rayos que salen de una fuente puntual en el material a con índice de refracción na. Los rayos inciden en la superficie del segundo material b con índice , donde >. (Por ejemplo, los materiales a y b podrían ser agua y aire, respectivamente.) Según la ley de Snell de la refracción, como > es mayor que la unidad, sen es mayor que ; el rayo se desvía apartándose de la normal. Así, debe haber algún valor de  menor que 90° para el cual la ley de Snell da  5 1 y  < 90°. Esto se ilustra con el rayo 3 en el diagrama, que emerge apenas rozando la superficie con un ángulo de refracción de 90°.[pic 20][pic 10][pic 11][pic 12][pic 13][pic 14][pic 15][pic 16][pic 17][pic 18][pic 19]

El ángulo de incidencia para el cual el rayo refractado emerge en forma tangencial a la superficie se llama ángulo crítico, y se denota con .[pic 22][pic 21]

Si el ángulo de incidencia ocurre la llamada reflexión interna total, la cual sólo ocurre cuando un rayo incide sobre la interfaz con un segundo material cuyo índice de refracción es menor que el del material por el que viaja el rayo.

Es posible encontrar el ángulo crítico por medio de:

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Desarrollo experimental

Material utilizado.

• Recipiente semicircular.
• Aceite, glicerina.
• 1 Bloque de acrílico rectangular.
• 4 Alfileres.
• 1 Hoja de papel milimétrico.
• 1 Laser.
• 1 Pecera.
• 1 Espejo.
• 1 Placa de acrílico grande.
• 1 Calibrador Vernier

Procedimiento experimento 1

1. Se colocó una hoja milimétrica sobre una mesa de cartón, esta se fijo con clavos a en los extremos.
2. Se coloca la semicircunferencia del material que se vaya a analizar y se alinea para marcar el contorno de esta.
3. Se coloca el primer alfiler en el punto medio de la recta de la semicircunferencia, la cual será nuestra normal.
4. Se coloca un segundo alfiler en un punto deseado del lado recto de la semicircunferencia.
5. El observador se coloca del lado de la curvatura de la semicircunferencia buscando alinear un tercer alfiler con el segundo, una vez hecho, se colocan marcas para identificarlos.
6. Se retira la semicircunferencia y se miden los ángulos a partir de la normal, con esto se obtiene el ángulo incidente y el transmitido.
7. Hacer una tabla con los ángulos obtenidos y calcular su seno para después graficar el senθt V senθi.

Procedimiento experimento 2

1. Se repiten los pasos del experimento uno, hasta el paso 4
2. El observador se moverá por el lado de la curvatura hasta encontrar el punto donde el alfiler colocado anteriormente desaparece, se coloca una marca en ese punto
3. Se retira la semicircunferencia y se mide el ángulo a partir de la normal, este ángulo obtenido será nuestro ángulo crítico.

Procedimiento experimento 3

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1. Se colocó la hoja milimétrica nuevamente sobre la mesa de cartón y se fijó con unos pequeños clavos.
2. Se coloca el bloque rectangular sobre la hoja milimétrica y se alinea el centro con alguna de las líneas remarcadas del papel milimétrico y se marca el contorno del prisma sobre él.
3. Se coloca el primer alfiler separado del prisma rectangular, el segundo lo más cercano a la superficie del prisma. Posteriormente se mira a través de ella y se coloca el tercer alfiler donde se observa aparentemente el segundo alfiler.
4. El 4to alfiler se alinea con el 1ro, 2do y 3er alfiler, aunque puede ser conveniente alinear con el 1ro y 3ro.[pic 25]
5. Se quita el prisma rectangular y con el compás se trazan líneas que conecten cada uno de los alfiles, permitiendo medir los ángulos de incidencia y refracción.
6. Hacer una tabla con los datos de ángulo de incidencia, ángulo de refracción e índice de

Procedimiento del experimento cuatro

1. Se tiene una placa de vidrio en forma de prisma rectangular, en su base tiene sujeta otra placa la cual es blanca. Se tiene un láser montado en una base, de tal forma que la luz del láser incida perpendicularmente en la palca de vidrio (por la cara opuesta a la placa blanca). Primeramente, se ha medido el espesor de la placa de vidrio usando un vernier.
2. Al hacer incidir la luz del láser sobre la placa de vidrio, se forma un anillo de luz concéntrico a un punto luminoso (correspondiente al punto donde el láser incide en la palca de vidrio). Ver ilustración x

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                Figura 3. Método de Pfund. Imagen extraída del manual de la práctica 1.

Se ha medido el diámetro del círculo en penumbra que se define dentro del anillo haciendo uso del vernier. El objetivo de este experimento es calcular el índice de refracción del bloque de vidrio, empleando la siguiente ecuación (la cual se demuestra en la pregunta 3 del cuestionario de esta práctica):

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