Reflexion

REFLEXIÓN

Y REFRACCIÓN

DE UN HAZ DE LUZ

• RESUMEN

Este laboratorio o práctica realizamos diferentes experiencias con un haz de luz (laser) un vidrio o pedazo de acrílico transparente y con estas experiencias determinar por medio de cálculos experimentales. Analizando su ángulo crítico, y verificando la denominada reflexión interna total.

This practice laboratory or perform different experiences with a beam of light (laser) a piece of glass or clear acrylic and with these experiences determine through experimental calculations. Analyzing the critical angle, and verifying the so-called total internal reflection.

• Introducción

En este proyecto utilizaré el modelo de la luz basado en rayos para explorar dos de los aspectos más importantes de su propagación: la reflexión y la refracción.

El fenómeno físico involucrado es el mencionado anteriormente “reflexión interna total”.

Haciendo un resumen teórico en lo que se basa este fenómeno y explicando sobre lo elaborado en este proyecto, podemos decir que, en general, cuando una onda luminosa incide en una interfaz lisa que separa dos medios transparentes (como aire y agua) parte de la onda se refleja y parte se refracta (transmite). Sin embargo, en ciertas circunstancias, se puede reflejar toda la luz en la interfaz, sin que nada de ella se transmita, aunque el segundo medio sea transparente (reflexión interna total).

En la figura Nº 1 se muestra cómo ocurre esto. Se muestran varios rayos que irradian desde una fuente puntual P en el material 1 con índice de refracción n1. Los rayos inciden en la superficie de un segundo material 2 con índice de refracción n2, donde n1 > n2 (Por ejemplo, los materiales 1 y 2 podrían ser agua y aire, respectivamente).

El índice de refracción de un material óptico (también conocido como índice de refringencia), que se denota con n, desempeña un papel central en la óptica geométrica. Es la razón de la rapidez de la luz c en el vacío respecto a su rapidez v dentro del material.

n = c / v (índice de refracción)

La luz siempre se propaga más lentamente dentro de un material que en el vacío, por lo que el valor de n en cualquier medio que no sea el vacío siempre es mayor que la unidad. En el vacío, n = 1.

De esto desembocamos en las leyes de refracción y reflexión:

a) Los rayos incidente, reflejado y refractado, así como la normal a la superficie, yacen todos en el mismo plano. El plano de los tres rayos es perpendicular al plano de la superficie limítrofe entre los dos materiales.

b) El ángulo de reflexión θr es igual al ángulo de incidencia θ1 para todas las longitudes de onda y para cualquier par de materiales. Es decir: θr = θ1

Esta relación, junto con la observación de que los rayos incidente, reflejado, y la normal se encuentran todos en el mismo plano, se conoce como la ley de reflexión.

c) Para la luz monocromática, y dado un par de materiales, a y b, en lados opuesto de la interfaz, la razón de los senos de los ángulos, donde ambos ángulos se han medido desde la normal de la superficie, es igual a la razón inversa de los índices de refracción:

Sen θ1 / Sen θ2 = n2 / n1

o bien

n1 Sen θ1 = Sen θ2 n2

Este resultado experimental, junto con la observación de que los rayos incidente y refractado, así como la normal, se encuentran en el mismo plano, se llama ley de refracción o ley de Snell.

En general, el índice de refracción de una sustancia transparente más densa es mayor que el de un material menos denso, es decir, la velocidad de la luz es menor en la sustancia de mayor densidad. Por tanto, si un rayo incide de forma oblicua sobre un medio con un índice de refracción mayor, se desviará hacia la normal, mientras que si incide sobre un medio con un índice de refracción menor, se desviará alejándose de ella. De acuerdo con la ley de Snell:

Sen θ2 = (n1 / n2) . Sen θ1

Puesto que n1 / n2 es mayor que la unidad, Sen θ2 es más grande que Sen θ1; el rayo se desvía apartándose de la normal. Entonces debe haber cierto valor de θ1 menor que 90º con el que la ley de Snell da Sen θ2 = 1 y θ2 = 90º.

El ángulo de incidencia con que emerge el rayo refractado tangente a la superficie se llama ángulo crítico. Más allá del ángulo crítico, el rayo no puede pasar al material superior; queda atrapado en el material inferior y se refleja totalmente. Esta situación se conoce como Reflexión Total Interna, se presenta sólo cuando un rayo incide en la superficie de un segundo material cuyo índice de refracción es más pequeño que el del material en el que se propaga el rayo.

• Montaje y procedimiento experimental.

Podemos hallar el ángulo crítico de dos materiales fijando θ2 = 90º en la ley de Snell. Tenemos que:

Sen θcrít = n1 / n2

Habrá reflexión interna total si θ1 es mayor o igual a θcrít.

Se utiliza un cuerpo de vidrio o acrílico de forma semicircular, que se coloca en el centro de un disco óptico graduado, de modo que el rayo incidente penetra siempre normalmente en el cuerpo de vidrio o acrílico, siendo por lo tanto únicamente refractado al atravesar la superficie límite vidrio o acrílico/aire .

Un rayo de luz se genera haciendo pasar un haz delgado de luz a través del disco óptico.

Colocando el cuerpo de vidrio o acrílico de forma semicircular de modo que sea iluminado como se ve en la Figura 3 y asegurándose de que un rayo que incida bajo un ángulo θ1= 0°, lo atraviese sin ser refractado.

Giramos el disco óptico y anotamos en una tabla los ángulos de incidencia, θ1, y de refracción, θ2, con sus errores absolutos, tomando un intervalo angular de 5° entre cada dos medidas. Obtener experimentalmente el ángulo crítico, comprobando a partir de que ángulo de incidencia no existe luz refractada, siendo el rayo totalmente reflejado.

Teniendo en cuenta la Ley de Snell, sen θ1 frente a sen θ2 y obtener el índice de refracción del vidrio o acrílico n con su error. A partir de este valor de n obtener

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