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LABORATORIO DE ONDAS Y CALORNro. PFR 2015

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REFLEXIÓN-REFRACCIÓN DE LA LUZ, LENTES Y ESPEJOS

Código : PG1014

Semestre : 1Grupo : C

Lab. Nro 8


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1. INTRODUCCIÓN:

La física posee muchas ramas de estudio, una de ellas es la que se ve en el presente

laboratorio, la óptica, que estudia la luz y los fenómenos que la acompañan como la

reflexión en superficies. El estudio de la óptica geométrica se basa en los fenómenos que

acompañan las leyes de reflexión y refracción de la luz, 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, y la refracción también conocida como Ley de Snell,

determina que 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. Los objetos más comunes que permiten ambos fenómenos son los espejos y

lentes respectivamente ya que su composición les otorga características propias.

Figura 1

1. OBJETIVOS:

Estudiar las imágenes formadas en un espejo plano.

Deducir las leyes de la reflexión y refracción de la luz.

Comprobar experimentalmente la distancia focal de diversas lentes

Ser capaz de configurar e implementar equipos para toma de datos

experimentales.


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2. FUNDAMENTO TEÓRICO:

2.1. Reflexión:

Se le llama reflexión al cambio de dirección que experimenta la luz al llegar a una

superficie pulida.

En casi cada momento de la vida diaria se encuentran experiencias que son

consecuencias de la reflexión de la luz.

El principio de Fermat que establece que “De todos los posibles caminos puede tomar

la luz para desplazarse, toma siempre aquel medio que lo lleva a recorrer en el tiempo

más corto”.

La reflexión especular se produce cuando la luz se refleja sobre una superficie pulida

como un espejo, mientras que la reflexión difusa se produce sobre una superficie

rugosa. En el caso de la reflexión especular se cumple la ley de reflexión, que nos

indica que el ángulo de incidencia es igual al de reflexión.

θi=θr

El índice de refracción de un medio se define como:

n= Velocidad de laluz en el vacíoVelocidad de laluz enunmedio

= cv

Ya que se sabe que la velocidad de la luz cambia de acuerdo al medio en que

atraviese, así también como la longitud de onda, mientras que la frecuencia

permanece constante.

La velocidad de una onda se relaciona con la frecuencia y la longitud de onda de

acuerdo a la siguiente relación:

v=λf

1

2

3


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2.2. Refracción:

La refracción de la luz se produce cuando un rayo de luz que viaja en un medio

transparente encuentra una frontera que lleva a otro medio transparente, parte del

rayo se refleja y parte entra al segundo medio. El rayo que entra al segundo medio se

dice que se refracta. Estos tres rayos se encuentran en el mismo plano. El haz

incidente y el refractado cumplen la siguiente regla que es conocida como la ley de

Snell.

ni Senθ i=nr Senθ r2.3. Lentes delgadas:

Una lente es un sistema refringente que consiste en dos o más superficies de

separación, de las cuales una por lo menos es curva. Una lente simple, consiste de un

elemento solamente, lo cual a su vez significa que tiene solamente dos superficies de

separación refringente.

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3. MATERIALES:

Sensor de luz

Fuente luminosa

Emisor láser

Espejos

Papel polar

Regla

Lentes de acrílico

4. INDICACIONES DE SEGURIDAD:

Implementos de seguridad de uso obligatorio


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Análisis de trabajo seguro

N° TAREAS RIESGOS IDENTIFICADOS MEDIDAS DE CONTROL DEL RIESGO

1 Recepción e inspección de materiales.

Caída y daños, ruptura de equipos, del piso y de lesiones al pie.

Asegurar los equipos a la base, siguiendo el correcto procedimiento, evitando el daño del mismo y del usuario.

2 Conexión Emisor láser Recibir una descarga eléctrica al momento de conectar a la fuente de tensión

Verificar el buen estado de los cables antes de realizar el laboratorio así como realizar de forma cuidadosa la conexión

3 Montaje del laboratorio.

Dañar algunos de los componentes por una mala ejecución

Prestar atención a las instrucciones del profesor también se debe tener en cuenta su correcta instalación.

4 luz laser Daño a la vista Usar lentes solares

5 Devolver Instrumentos

Caída de instrumentos y compañeros

Ir con cuidado y atención a lo que estemos haciendo en el laboratorio

6 Orden y limpieza. Caídas y tropezones. Tener la misma actitud para culminar el laboratorio.

5. PROCEDIMIENTO:

Reflexión de la luz usando en un espejo plano.

Por ningún motivo permita que el haz de luz incida sobre la vista, pues podría causar un daño irreparable. No intente ver directamente el haz de luz láser.

Coloque el espejo en posición vertical con la ayuda de la madera y la liga, luego céntrelo en el papel polar, alineando la superficie externa del espejo con la línea correspondiente a 0°.

Coloque un alfiler en el origen (punto de convergencia de todas las líneas) del papel polar.

Alinee el láser a lo largo de una de las líneas para uno de los ángulos sugeridos en la tabla 4.1, active el puntero y diríjalo hacia el alfiler.

Observe y mida el ángulo que forma el haz reflectado y anótelo en la tabla 4.1.

Repita los dos últimos procedimientos para todos los ángulos.


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6. Tabla 4.1

θi θr Er (%)10 9 10%20 20 0%30 30 0%40 39 2.5%50 48 4%60 60 0%70 69 1.42%80 79 1.25%

Refracción de la luz usando una lente.

Anote la longitud de onda del láser. Coloque el lente en el papel polar alinee la superficie plana con la línea correspondiente a 0°, haga coincidir el centro de esta cara plana con el origen del papel polar.


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Alinee el puntero láser a lo largo de una de las líneas (tal como se indica en la figura 4.2) para uno de los ángulos sugeridos en la tabla 4.2, active el puntero y diríjalo hacia el origen.

Se puede observar la traza del haz de luz refractado en el papel dando una ligera inclinación al láser, observe y mida el ángulo que forma el haz refractado y anótelo en la tabla 4.2. Repita los dos últimos procedimientos para todos los ángulos indicados en la tabla 4.2.

Tabla 4.2. (Aire – agua)

θi (º) 10 20 30 40 50 60 70 80 promedioθr (º) 8 17 27 33 41 43 48 49 33.25

Sen θi 0.17 0.34 0.5 0.64 0.76 0.86 0.93 0.98 0.64

Sen θr 0.13 0.29 0.45 0.54 0.65 0.68 0.74 0.75 0.54

Nagua (1,33)

1.30 1.17 1.11 1.18 1.16 1.26 1.25 1.30 1.21

% error n 9.02%


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Repita los tres últimos procedimientos observando la figura 4.2 y complete la tabla 4.2. Encuentre el ángulo crítico (a partir del cual se produce el fenómeno reflexión total interna, θt = 90°)

Observación: Considere que naire ≈ 1, y que la frecuencia no varía al pasar de un medio a otro.

El subíndice “lente” en la tabla 4.2.1 hace referencia al medio refractante.

Tabla 4.3. (Lente – aire)

θi (º) 10 20 30 40 48 promedioθr (º) 13 27 36 58 90 44.8

Sen θi 0.17 0.34 0.5 0.64 0.74 0.47

Sen θr 0.22 0.45 0.58 0.84 1 0.618

Naire (1)

0.77 0.75 0.86 0.76 0.74 0.776

% error n 22.4%

Lentes delgadas y espejos.


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Tomas las diferentes lentes que te proporcione el profesor y con ayuda del láser traza 5 rayos como en la figura 4.4 y halla la distancia focal para cada caso trazando los haces láser transmitidos. Haz lo propio con los espejos y sus haces reflejados.

Reflexión de la luz por prismas.

Haz la configuración de la gráfica y traza los rayos transmitidos.


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8. CUESTIONARIO:

8.1 Con respecto al proceso de reflexión de la luz usando en un espejo plano responde:

8.1.1 Explique debido a que factores en nuestra experiencia el ángulo de incidencia no es exactamente igual al ángulo de reflexión (tabla 4.1). Puede darse que el espejo no es completamente liso o posee deformaciones o que se haya colocado incorrectamente

8.2 Con respecto al proceso de refracción de la luz usando una lente responde: 8.2.1 Con los datos de las tablas 4.2 y 4.3 construya la gráfica del ángulo de refracción en función del ángulo de incidencia, es decir, θr = θr (θi). Interprete las gráficas.

8.2.2 Con los datos de las tablas 4.2 y 4.3 grafique (Sen θi/ Sen θr) en función del ángulo de

incidencia. Interprete las gráficas.

8.2.3 Calcule el índice de refracción promedio para el lente y su respectivo error absoluto, para cada una de las tablas 4.2 y 4.3.

8.2.4 Cite 2 ejemplos de aplicación del fenómeno de reflexión total interna y 1 ejemplo de la aparición del fenómeno en la naturaleza.

8.2.5 ¿A qué sustancias usadas o solamente conocidas en su especialidad podría Ud. Determinar su índice de refracción mediante esta experiencia? A los aceites, metales pulidos, compuestos químicos8.3 Con respecto al proceso de lentes delgadas y espejos responde: 8.3.1 Determina teóricamente la distancia focal de cada lente. ¿A qué atribuyes el error?


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El error se debe a que puede variar la distancias de las lentes a la fuente

8.3.2 En los casos en los cuales se deja un espacio hueco para formar las lentes. ¿Es normal el comportamiento del rayo transmitido? ¿Por qué? Si, puesto que la media lente consecutiva es de la misma configuración, lo que ocasiona que el patrón no varíe.

8.3.3 Determina teóricamente la distancia focal de cada espejo. Analiza las fuentes de error de tu experiencia

8.4 Con respecto al proceso de reflexión de la luz por prismas responde:

8.4.1 ¿A qué se debe este comportamiento de los haces de luz? A que los prismas poseen el fenómeno de reflexión interna total lo que permite que el rayo de luz se refleje completamente8.4.2 ¿Qué aplicación tecnológica pueden tener? Menciona 2. Pueden ser usados como sensores de movimiento al expandirlos por zonas amplias, o

también para amplificar el área que abarca una lente en un láser.

7. PROBLEMAS:

7.1

En la figura se muestra, un rayo de luz es perpendicular a la cara ab de un prisma de vidrio (n = 1,65) en la forma de un triángulo rectángulo. Encontrar el valor más grande para el φ ángulo (en grados) de modo que el rayo se refleja totalmente en la cara ac si el prisma es en el aire.

Solución: El mayor valor de φ se produce cuando el rayo golpea ac en el ángulo crítico. A partir de la geometría del problema, el ángulo crítico se produce para cos f = 1 / 1,65, o φ = 52.7◦.


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3a (10 puntos) Un rayo de luz es perpendicular a la cara de un ab glassprism (n = 1,52). Encontrar el valor más grande para la fi ángulo para que el rayo se refleja totalmente el rostro de CA si el prisma se encuentra inmersa en el aire.

no hay refracción en la interfaz ab

Segundo problema :

7.2

En la Fig. 2, un rayo de luz en el aire incide sobre una capa plana de material 2 que tiene un índice de refracción n2 = 1,5. Debajo de material 2 es de material 3 con un índice de refracción de rayos n3.The es incidente sobre la interfaz de aire de material 2 en el ángulo de Brewster para esa interfaz. El rayo de luz refractado en el material 3 pasa a ser incidente sobre la interfaz de material de 2-material de 3 en el ángulo Brewster para esa interfaz. ¿Cuál es el valor de n3?

Sol

Dado que las capas son paralelas, el ángulo de refracción con respecto a la primera superficie es el mismo que el ángulo de incidencia con respecto a la segunda superficie (como se sugiere por la notación en la Fig. 33 a 66). Recordamos que como parte de la derivación de la ecuación. 33 a 49 (ángulo de Brewster), el ángulo refractado es el complemento del ángulo incidente:

Aplicamos la ecuación 33-49 a los dos refracciones, la creación de un producto:


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Ahora, ya que es el complemento de lo que tenemos.

Por lo tanto, el producto de las tangentes cancelar y obtenemos En consecuencia, la tercera medio es aire

7. (10 pts) Un rayo en el aire incide sobre una capa plana de material 2 que tiene un índice de refracción n2 = 1,5 Debajo de material 2 es de material 3 con un índice de refracción n3 .El rayo incide sobre el aire -Material interfaz 2 en el ángulo crítico para esa interfaz. Lo que en son los valores posibles para n3 y

Indice Medio de Refracción

Vacuum 1 (exactamente)

Aire 1.00029

agua 1.33

acetona 1,36

Azúcar Solución 1.49

(80%)


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n1 senθ1=n3 senθ3

θ3=90

r 3=r1 senθ1

n3=1.00029 senθ1

n3≤1.00029

caso trivial

n3=1.00029

nuevo caso trivial n3=1

θ=sen−1( 11.00029

)

θ=88.6

8. OBSERVACIONES:

Se debe tener mucho cuidado al manejar las lentes y los prismas puesto que son

frágiles.

El emisor láser es peligroso frente a nuestros ojos, por lo que no debemos ver

directamente el haz de luz

9. CONCLUSIONES:

A través de los espejos se estudió la dirección de la luz y los ángulos de incidencia y

reflexión.

Se manifestó las leyes de la reflexión y refracción, y se dedujo que la dirección de

la luz es inestable y puede ser cambiada.

10. BIBLIOGRAFÍA:

http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/rdelgado/docencia/FISICA_ITI/PRACTICAS.pdf http://www.ucm.es/data/cont/docs/76-2013-07-11-08.pdf Libro Guía de Tecsup 2015

http://www.ucm.es/data/cont/docs/76-2013-07-11-08.pdf

http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/rdelgado/docencia/FISICA_ITI/PRACTICAS.pdf

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