Fisica de Ondas Practica 3

7/24/2019 Fisica de Ondas Practica 3

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DEMXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLN

DEPARTAMENTO DE FSICA

LABORATORIO DE FSICA DE ONDAS

PRCTICA No. 3:

PROPAGACIN DE LA LUZ

CONTENIDO PROGRAMTICO RELACIONADO:

UNIDAD 1: NATURALEZA DE LA LUZ.SUBTEMAS: 1.1, 1.2, 1.3,

UNIDAD 2: PRINCIPIOS Y FUNDAMENTOS DE LA PTICA.SUBTEMAS: 2.1, 2.3, 2.3.1,

SEMESTRE LECTIVO: 2016-I

NMERO DE CUENTA GRUPO

ALUMNO

CONCEPTO % CALIFICACINExamen Previo (Investigar y comprender) 20

Aprender a usar los equipos 10Trabajo en equipo 10Comparacin y anlisis de resultados 30Redaccin y Presentacin de reporte 30

Calificacin Final Prctica 3


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LABORATORIO DE FSICA DE ONDAS PRACTICA 3

Semestre lectivo: 2016-I PROPAGACIN DE LA LUZ 2-11

LABORATORIO DE FSICA DE ONDAS

DEPARTAMENTO DE FSICA

PRCTICA No. 3

PROPAGACIN DE LA LUZ

CUESTIONARIO PREVIO.

1.- Defina el concepto de rayo de luz as como sus caractersticas.

2.- Enuncie las leyes de reflexin de la luz, as como su expresin matemtica.

3.- Enuncie el principio de Fermat.

4.- Aplicando el principio de Fermat deduzca la ley de la refraccin de la luz (ley de Snell).

5.- Defina el concepto de ndice de refraccin, as como su expresin matemtica.

6.- Indique en una tabla los valores de ndice de refraccin para diferentes sustancias y/o mediospticos.

7.- Defina el concepto de reflexin interna total y escriba la expresin matemtica del ngulo crtico.

OBJETIVOS:

I. Evaluar experimentalmente la ley de reflexin de la luz.II.

Valorar experimentalmente la ley de refraccin de la luz (ley de Snell).

III.

Evaluar experimentalmente el ndice de refraccin de un material slido ytransparente (lucita).

IV. Reproducir el fenmeno de la reflexin interna total y calcular el ngulo crtico dedicha reflexin (aire-lucita).

FUNDAMENTOS TERICOS.

Las observaciones ordinarias nos demuestran que los haces (rayos) de luz que inciden ensuperficies tales como espejos, metales, superficie de agua, etc., se reflejan. Este fenmenose conoce como reflexin de la luz (figura 3.1).

Figura 3.1 Reflexin de la luz


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La refraccines el cambio de direccin que experimenta una ondaal pasar de un mediomaterial a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie deseparacin de los dos medios y si estos tienenndices de refraccindistintos. La refraccinse origina en el cambio develocidadde propagacin de la onda.

Un ejemplo de este fenmeno se ve cuando se sumerge un lpiz en un vaso con agua: el lpizparece quebrado (figura 3.2).

Figura 3.2.- Refraccin de la luz

Tambin se produce refraccin cuando laluzatraviesa capas de aire a distintatemperatura,de la que depende el ndice de refraccin. Losespejismosson producidos por un caso extremode refraccin, denominadoreflexin interna total.Aunque el fenmeno de la refraccin seobserva frecuentemente en ondas electromagnticas como la luz, el concepto es aplicable acualquier tipo de onda.

Cuando un rayo se refracta al pasar de un medio a otro, el ngulo de refraccin con el que

entra es igual al ngulo en que sale al volver a pasar de ese medio al medio inicial.La refraccin se produce cuando la luzpasa de un medio de propagacin a otro con unadensidad pticadiferente, sufriendo un cambio de rapidez y un cambio de direccin si noincide perpendicularmente en la superficie. Esta desviacin en la direccin de propagacinse explica por medio de la ley de Snell. Esta ley, as como la refraccin en medios nohomogneos, son consecuencia delprincipio de Fermat,que indica que la luz se propagaentre dos puntos siguiendo la trayectoria de recorrido ptico de menor tiempo.

En la refraccin se cumplen las leyes deducidas por Huygens que rigen todo el movimientoondulatorio:

El rayo incidente, el reflejado y el refractado se encuentran en el mismo plano.

Los ngulos de incidencia y reflexin son iguales, entendiendo por tales los queforman respectivamente el rayo incidente y el reflejado con la perpendicular (llamadaNormal) a la superficie de separacin trazada en el punto de incidencia.

En ptica, es de inters el estudio de los materiales dielctricos transparentes que tienenforma de lentes, prismas, placas, pelculas, etc. en donde la velocidad de propagacin de laluz se modifica al propagarse a travs de estos materiales.
http://es.wikipedia.org/wiki/Ondahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ondahttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dndice_de_refracci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dndice_de_refracci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dndice_de_refracci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Velocidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Velocidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Velocidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Luzhttp://es.wikipedia.org/wiki/Luzhttp://es.wikipedia.org/wiki/Luzhttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Espejismohttp://es.wikipedia.org/wiki/Espejismohttp://es.wikipedia.org/wiki/Espejismohttp://es.wikipedia.org/wiki/Reflexi%C3%B3n_interna_totalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Reflexi%C3%B3n_interna_totalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Reflexi%C3%B3n_interna_totalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Luzhttp://es.wikipedia.org/wiki/Luzhttp://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_%C3%B3pticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_%C3%B3pticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Snellhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Snellhttp://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Fermathttp://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Fermathttp://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Fermathttp://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Fermathttp://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Snellhttp://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_%C3%B3pticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Luzhttp://es.wikipedia.org/wiki/Reflexi%C3%B3n_interna_totalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Espejismohttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Luzhttp://es.wikipedia.org/wiki/Velocidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dndice_de_refracci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Onda


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Al producto del cociente de la velocidad de la luz en el vaco entre la velocidad de la luz enun material transparente, se le denomina ndice de refraccin (), que se expresa como:

= ,

donde: =

(velocidad de la luz en el medio)

y =

(velocidad de la luz en el vaco)

Recordando que

fc0

y fv

adems, teniendo presente que la frecuencia es constante cuando la luz se propaga en losdiferentes medios tenemos:

0

n ,

entonces:

n

0

.

De acuerdo a las ecuaciones anteriores, podemos resumir que:

La velocidad de la luz depende del medio que atraviese, por lo que es ms lento cuanto msdenso sea el material y viceversa.

Por ello, cuando la luz pasa de un medio menos denso (aire) a otro ms denso (cristal), elrayo de luz es refractado acercndose a la normal y por tanto, el ngulo de refraccin serms pequeo que el ngulo de incidencia. Del mismo modo, si el rayo de luz pasa de unmedio ms denso a uno menos denso, ser refractado alejndose de la normal y, por tanto, elngulo de incidencia ser menor que el de refraccin.

En la tabla 3.1 se muestran algunos ndices de refraccin:

Mediondice de

refraccin ()Medio

ndice derefraccin ()

1.- Agua 1.33 4.- Lucita (lexan) 1.50

2.- Aire (1 atm, 20 C) 1.0003 5.- Vidrio (crown) 1.52

3.- Cuarzo fundido 1.46 6.- Vidrio (flint) 1.66

Tabla 3.1.- ndices de refraccin


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Ley de refraccin (Ley de Snell)

La relacin entre el seno del ngulo de incidencia y el seno del ngulo de refraccin es iguala la razn entre la velocidad de la onda en el primer medio y la velocidad de la onda en elsegundo medio, o bien puede entenderse como el producto del ndice de refraccin delprimer medio por el seno del ngulo de incidencia es igual al producto del ndice derefraccin del segundo medio por el seno del ngulo de refraccin(figura 3.3).

Figura 3.3 Ley de Snell.

Es decir: sin= 2 sin2

donde:

n1= ndice de refraccin del primer medio

1 = ngulo de Incidencia

n2= ndice de refraccin del segundo medio

2= ngulo de refraccin.

Teniendo presente como se refleja y transmite (refracta) la luz en una interfaz entre dosmateriales (medios) con ndices de refraccin diferentes, en ciertas circunstancias, se puede

reflejar toda la luz en la interfaz, sin que nada de ella se transmita (refracte), aunque elsegundo material sea transparente. A este fenmeno se le denomina reflexin interna total(figura 3.4), esta situacin se presenta cuando el ndice de refraccin del medio incidente esmayor que el ndice de refraccin del medio transmisor es decir > 2.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Refracci%C3%B3n.svg?uselang=es


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Figura 3.4.- Reflexin interna total

Un ejemplo ordinario se observa en los materiales agua () y aire (2) entonces, deduciendola frmula para calcular el ngulo crtico para reflexin interna total por medio de la ley de

refraccin (Ley de Snell): sin= 2 sin2

entonces, considerando que:

= y 2= 90

la ecuacin anterior queda:

sin= 2 sin90

sabiendo que sin 90 = 1y despejando :

= sin 2 > 2

El fenmeno de reflexin interna total se aprovecha en las fibras pticas y prismas, pormencionar algunas, las cuales tienen una amplia aplicacin, por ejemplo en medicina,sistemas de comunicacin, binoculares etc.

CONCEPTOS NECESARIOS

1.

Ley de Reflexin

2.

Ley de la Refraccin ( Ley de Snell)

3. Ley de la Reflexin Interna Total.

4. ndice de refraccin.


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MATERIAL Y EQUIPO:

1 Banco ptico (Optics Bench)

1 Fuente de luz (Light Source)

1 Tabla base de rayos (Ray table Base)

Componentes titulares (Component Holder)

1 Placa Ranurada (slite plate)

1 Placa con una sola ranura (Slit Mask)

1 Lente cilndrica (Cylindrical lens)

1 Espejo de rayos pticos ( Ray Optics Mirror).

I. DESCRIPCIN DE EQUIPO:


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DESARROLLO:

1) Coloque la fuente de luz (Light Source) sobre el banco ptico (optics bench)2)

Coloque la base del disco sobre el riel y el disco graduado sobre la base como se

muestra en la figura 3.1 donde la base en su inclinacin ms baja debe quedarorientada hacia la fuente de luz.

3)

Ahora sobre el mismo riel entre la fuente de luz y el disco, se coloca una base paralos componentes, en la parte que queda hacia la fuente de luz se coloca la placa quetiene una sola ranura, del lado opuesto de la base se coloca la placa que tienemuchas ranuras.

4) Encender la fuente de luz para proyectar solo un haz de luz5) Con ayuda de la perilla que se encuentra por encima de la fuente de luz ajuste el

haz de luz, para que este coincida con la lnea denominada normal que se

encuentra en el disco graduado (que pase por los dos ceros de la escala). Si esnecesario mover las bases de los componentes para ajustar el haz de luz como se

muestra en la figura 3.16) Alinear la superficie plana de la lente cilndrica sobre la lnea de 90 que se

encuentra en el disco (para centrar el lente ajuste ms cerca de la fuente de luz )7) Una vez alineado, apague la luz y gire el disco graduado suave y lentamente sin

mover la base para los diferentes ngulos de incidencia que se muestran en la tabla3.1

II.- REFRACCIN DE LA LUZ.

Figura3.1


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4.- Anote los ngulos de refraccin y los clculos requeridos en la tabla 3.1.

ngulo de

incidencia1

ngulo de

refraccin2

sen 1 sen 2 2= sin

sin2 (Con = 1)

10

20

30

40

50

60

70

80

Tabla 3.1.- Refraccin de la luz

5.- Atendiendo a los valores de la tabla 3.1, grafique contra . (Anexe sugrfica en otra hoja).

6.- Obtenga el valor de la pendiente de la recta esperada del punto 8 (describa el mtodoutilizado).

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

7.- Qu relacin guarda el valor de la pendiente obtenido en el punto 6, con la ley deSnell?

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

8.- Utilizando la expresin =

, calcule el ndice de refraccin del semicrculo de

lucita (recuerde que el ndice de refraccin del aire vale 1.00). = ________

9.- Obtenga el promedio de (columna 5) de la tabla 3.1. = ________


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10.- El valor experimental del ndice de refraccin del material utilizado (lucita)coincide con el valor dado en la tabla?

________________________________________________________________________

II.- REFLEXIN INTERNA TOTAL.

1) Ahora coloque el prisma cilndrico, para que el haz de luz incida sobre su partecurvada, pero sin descuidar que la parte recta del prisma siga alineada con la lneanormal del disco graduado.

2) Gire lentamente el disco graduado hasta que observe la reflexin interna total.

3)

Muestre en un dibujo la normal, los rayos y ngulos (de incidencia, reflexin y

refraccin) observados para los siguientes casos:

11.- Antes de que ocurra la reflexin enngulo crtico ().

12.- En la reflexin en ngulo crtico().

13.- Despus de la reflexin en ngulocrtico (reflexin interna total).

14.- En base a su dibujo No. 12 yutilizando la ley de Snell, deduzca lafrmula para obtener el ngulo crtico.


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III.- REFLEXIN

1)

Quitar el prisma cilndrico del disco graduado y coloque el espejo ptico en sulugar, cuidando que la parte recta del espejo quede alineado sobre la lnea decomponente, ( no debe de haber ningn haz de luz visible r eflejado), como semuestra en la figura 3.2

2) Mover el disco a los distintos ngulos mostrados en la tabla 3.2, cuidando nomover la base.

Nota: las distancias aproximadas son 8.5cm de luz a placa y de 3 cm de placa ala base del disco

Figura 3.2


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3) Anote los valores de los ngulos de reflexin.

ngulo de incidencia

1 ngulo de reflexin

, 0

10

20

30

40

50

60

7080

Tabla 3.2.- Reflexin de la luz

2.- De acuerdo a las mediciones de la tabla 3.2. Se cumple con la ley de lareflexin?_________

3.- Realice el dibujo en el cual demuestre que el ngulo incidente, el ngulo reflejado yla normal al punto de incidencia estn en un mismo plano (plano de incidencia).


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14.- CONCLUSIONES

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

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Bibliografa

(1) Fsica Conceptos y aplicaciones; Paul E. Tippens; Mc Graw Hill, 7a Edicin.

(2) Fsica Vol I, Resnick, Grupo Editorial Patria.5a edicin.

(3) Fsica para Ciencias e Ingeniera, Vol. I; Giancoli; Pearson, 4a Edicin.

(4) ptica; Eugene Hecht; Pearson, Addison Wesley; 3a Edicin.

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