material de trabajo práctica 2

8/9/2019 Material de Trabajo Prctica 2

1/21

Prcticas de laboratorio de Fsica III

Prctica No.2

A.M. Raba P.

1

Prctica No.2: Reflexin, refraccin y dispersin de la luz

LECTURA PREVIA

Reflexin de la luz

Cuando un rayo que procede de una fuente de luz, denominado rayo incidente, incide sobre un espejo, seobserva que el rayo de luz se devuelve, se refleja. El rayo que se refleja se denomina rayo reflejado.Para determinar la relacin que existe entre la direccin de propagacin de estos dos rayos, seconstruye una lnea auxiliar, perpendicular a la superficie en el punto de incidencia, que se denominanormal. La normal se toma como lnea de referencia para determinar el ngulo, y por tanto, la direccinde propagacin de los rayos incidente y reflejado. Los ngulos que forman el rayo incidente y el rayoreflejado con la normal se llaman ngulos de incidencia y de reflexin.

La primera ley de la reflexin expresa que el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal se encuentranen un mismo plano. Midiendo cuidadosamente los ngulos de incidencia y de reflexin se encuentra queestos son iguales (como se muestra en las figuras 1 y 2), a esta igualdad se le conoce como segunda leyde la reflexin. Formalmente la segunda ley de la reflexin se enuncia as:

'11

= , (1)

donde 1

representa el ngulo de incidencia y'

1

representa el ngulo de reflexin.

Figura 1: Arreglo experimental para observar que el ngulo deincidencia es igual al ngulo de reflexin.

Figura 2: Geometra para ilustrar la ley de la reflexin.

La luz se puede reflejar de forma especular y de forma difusa. En la reflexin especular todos los rayosreflejados son paralelos entre s; se produce cuando la superficie de reflexin es una superficie lisa, esdecir una superficie en la que las variaciones en la rugosidad de la superficie son pequeas comparadascon la longitud de onda de la luz incidente. En la reflexin difusa los rayos reflejados se propagan en

direcciones opuestas; se produce en una superficie de reflexin rugosa.


2/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

2

Refraccin de la luz

Cuando un rayo de luz pasa del aire al agua experimenta un cambio en su direccin de propagacin, dandolugar al fenmeno de la refraccin. De forma ms general, cuando un rayo de luz que se propaga a travsde un medio se encuentra con una frontera que conduce a otro medio, como en la figura 3, parte delrayo se refleja y parte entra en el segundo medio. Como el rayo que entra al segundo medio se hadesviado se dice que se ha refractado en la frontera. El rayo incidente, el rayo reflejado y el rayorefractadoson todos coplanares. El fenmeno de la refraccin de la luz depende de que tan permisivosea el medio para dejar que la luz lo atraviese, depende del ndice de refraccin del medio. En la tabla 1se muestran los ndices de refraccin de algunas sustancias.

La relacin entre el ngulo de incidencia, 1 , el ngulo de refraccin , 2 , y la velocidad de la luz en losmedios 1 y 2, est dada por la ley de Snell, ecuacin 2.

ctev

v==

1

2

1

2

sin

sin

. (2)

Tabla 1: Valores de los ndices de refraccin de algunas sustancias slidas, lquidas y gaseosas a 20C.

Sustancia ndice de refraccinVidrio 1.5 1.9

Diamante (C) 2.419

Cuarzo fundido 1.458Hielo (H2O) 1.309

Circn 1.923Benceno 1.501

Alcohol etlico 1.361Glicerina 1.473

Agua 1.333Aire 1.000293

Dixido de Carbono 1.000450

Cuando la luz pasa de un material en el cual su rapidez es mayor a un material en donde su rapidez es

menor, el ngulo de refraccin es menor que el ngulo de incidencia, como se muestra en la figura 4. Porejemplo, cuando la luz se propaga en el aire, su rapidez es igual a sm8103 , y su rapidez se reduce a

aproximadamente sm8102 cuando entra en un bloque de vidrio. Cuando la luz sale de nuevo al aire,su rapidez vuelve a su valor original. As la rapidez de la luz en cualquier material es menor que en elaire, ecuacin 3.

v

cn= , (3)

en donde c es la rapidez de la luz en el vaco y v la rapidez de la luz en el medio de ndice de refraccin

n .


3/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

3

Figura 3: Un rayo de luz incide sobre una interface entre losmedio 1 y 2 (por ejemplo aire-vidrio). Los ngulos de incidenciade reflexin y de refraccin se miden todos con respecto a lanormal.

Figura 4: El rayo refractado se desva lejos de la normalcuando el ndice de refraccin del segundo medio es menor queel ndice de refraccin del primer medio.

Reversibilidad de la luz

Experimentalmente se encuentra que cuando un rayo de luz pasa de un medio, como el agua o el vidrio alaire, sigue exactamente el mismo camino que cuando pas del aire al medio (agua - vidrio).

Cuando un rayo de luz va del aire al agua e incide con un ngulo de 30, se refracta en el agua con unngulo de 22 aproximadamente, por lo que se tiene

33.122sin

30sin

sin

sin

2

1 =

==

n

Si el rayo pasa del agua al aire, e incide con un ngulo de 22, se refracta en el aire con un ngulo de

30. Para este caso se tiene

75.030sin

22sin

sin

sin'

2

1 =

==

n

De las expresiones anteriores se puede deducir que los dos ndices de refraccin guardar relacininversa, es decir

'

1

nn= (4)


4/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

4

Esta expresin indica que no es necesario conocer los dos ndices de refraccin (aire-agua y agua-aire),si se conoce uno, se conoce el otro, ya que es su inverso. Generalizando estas expresiones para cualquierngulo de incidencia y de refraccin se tiene:

medio

aire

airemedion

sin

sin=

aire

medio

medioairen

sin

sin=

Reflexin total

Cuando un rayo de luz pasa de un medio de ndice1

n a otro de ndice2

n , siendo21

nn > , la luz viaja deun medio ms refringente a otro menos refringente, por lo que el ngulo de refraccin resulta mayorque el ngulo de incidencia. En la figura 5a se muestran varias direcciones posibles, indicadas por losrayos 1 a 5. Ya que

21 nn > los rayos refractados se desvan alejndose de la normal. Los rayos 2, 3 y 4

de la figura 5a se reflejan parcialmente en el medio 1, aunque no se muestren en la figura. El valormximo que puede tomar el ngulo de refraccin es 90, figura 5b, ya que si fuera mayor no habra rayorefractado. El ngulo crtico,

C , es el ngulo de incidencia para el cual el rayo refractado emerge

tangente a la superficie. Para ngulos de incidencia mayores que el ngulo crtico, no existen rayosrefractados y los rayos incidentes experimentan una reflexin total. El rayo 5 de la figura 5a muestraeste efecto. La reflexin total slo ocurre cuando el rayo incide sobre la superficie de un medio cuyondice de refraccin es menor que el del medio del cual proviene el rayo, y el fenmeno se asemeja alchoque del rayo con una superficie reflectora ideal. Todos los rayos que sufren reflexin totalobedecen la ley de la reflexin.

El ngulo crtico,C

, puede hallarse aplicando la ley de la refraccin:

2211sinsin nn =

en donde se debe cumplir que = 902

, por lo que 190sinsin2

== , entonces

=

1

21sin

n

nC

(5)


5/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

5

(a) (b)Figura 5: (a) Cinco rayos pasan de un medio de ndice de refraccin mayor a uno de ndice de refraccin menor. Cuando el ngulode incidencia aumenta, el ngulo de refraccin aumenta hasta que es igual a 90 (rayo 4). Para ngulos de incidencia mayores, sepresenta la reflexin interna total (rayo 5). (b) El ngulo de incidencia que produce un ngulo de refraccin igual a 90 sedenomina frecuentemente ngulo crtico. (Tomado de: SERWAY, Raymond A. JEWTT, John W. Physics for scientists andengineers. Sexta edicin. Captulo 31. 2004)

Dispersin de la luz

Cuando la luz atraviesa un prisma e incide sobre una pantalla, produce bandas de colores semejantes alas que se ven en el arco iris. Este comportamiento se denomina dispersin de la luz, es decir la luzblanca bajo ciertas condiciones se descompone en varios colores.

Una propiedad importante de los ndices de refraccin es que son diferentes para distintas longitudesde onda. La ley de Snell predice que radiacin electromagntica de diferente longitud de onda sedesviar a distinto ngulo cuando incide sobre un material refractante, lo que indica que los ndices derefraccin disminuyen al aumentar la longitud de onda. Cualquier sustancia en la cual n vara con lalongitud de onda se denomina medio dispersor.

Cuando un haz de luz blanca (combinacin de todas las longitudes de onda visibles) incide sobre la carade un prisma, los rayos que emergen de la segunda cara se abren en una serie de colores conocida comoespectro. Estos colores en orden de longitud de onda decreciente son: rojo, naranja, amarillo, verde,azul y violeta. Newton demostr que cada color tiene un ngulo de desviacin particular, que no esposible descomponer el espectro an ms y que los colores se pueden recombinar para formar la luzblanca original. El ngulo de desviacin del haz de luz monocromtico depende de su longitud de onda,por lo que la luz que ms se desva es la violeta y la que menos es la roja. Entonces cuando cualquiersustancia dispersa un rayo de luz de la misma forma que lo hace un prisma, se dice que la luz sedescompone en su espectro.


6/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

6

Un haz de luz incide sobre un prisma con un determinado ngulo de incidencia, sin embargo el ngulo derefraccin es diferente para cada color. Como el medio cambia de ndice de refraccin segn el colorque pasa a travs de l, esto explica la descomposicin de la luz mediante el prisma.

Si un material deja pasar la luz casi totalmente se denomina trasparente. Un material translcidoes elque deja pasar parcialmente la luz. Los cuerpos que no dejan pasar la luz reciben el nombre de opacos.

BIBLIOGRAFA

SERWAY, Raymond A. JEWTT, John W. Physics for scientists and engineers. Sexta edicin. 2004.Comit para la enseanza de la fsica. Fsica Oscilaciones y Ondas. Ed. Norma. p.88-132.Introductory optics system. Instruction manual and guide for the PASCO scientific model OS-8500.


7/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

7


PRCTICA DE LABORATORIO

1. OBJETIVOS

Estudiar, explicar e interpretar los fenmenos de reflexin y refraccin de la luz. Comprobar experimentalmente la primera y segunda ley de la reflexin de la luz. Comprobar experimentalmente la ley de Snell para la refraccin de la luz. Determinar si en la prctica se cumple la ley de la refraccin cuando la luz viaja en direcciones

opuestas. Verificar que la reflexin interna total ocurre cuando la luz golpea una interface y no puede pasar a

travs de ella. Corroborar la dispersin de la luz visible.

2. MATERIALES

Banco ptico Fuente de luz Plato graduador Prisma para dispersin de la luz Graduador

3. INTRODUCCIN

Ha sido inters del hombre estudiar la naturaleza y propagacin de la luz. Como resultado de esteestudio se sabe que la luz se propaga en lnea recta. Adems existen varios fenmenos relacionados conla luz que suceden diariamente a nuestro alrededor. Por ejemplo, cuando un haz luminoso se dirige haciaun espejo, se observa que despus de incidir sobre l, cambia de direccin; a este cambio de direccinse le denomina reflexin de la luz. Ahora bien, cuando un haz de luz se dirige oblicuamente sobre lasuperficie del agua contenida en un recipiente de vidrio, se observa que la direccin en que se propagaen el aire cambia bruscamente en el agua. Este comportamiento se denomina refraccin de la luz. Conayuda del banco ptico, en este experimento se busca observar los fenmenos de reflexin y refraccinde la luz, para explicarlos e interpretarlos posteriormente, adems observar el fenmeno de ladispersin de la luz visible.

4. PROCEDIMIENTO

Reflexin de la luz

Configurar el equipo como se muestra en la figura 5.1. Alinear el rayo de luz con la normal establecidapreviamente en el mismo plano del plato graduador, de modo que pase directamente a travs delcentro del mismo.


8/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

8

Alinear la superficie de reflexin (espejo) con la perpendicular a la normal establecida en el plato

graduador. Rotar el plato graduador o la fuente de luz, segn el ngulo de incidencia que se quiereobservar (tabla 4.1).

Medir los ngulos de incidencia y de reflexin con respecto a la normal (figura 5.2). Completar latabla 4.1. Observar que la normal sea perpendicular a la superficie reflectora. Realizar el anlisispertinente.

Repetir el proceso de los dos numerales anteriores rotando el plato graduador en la direccinopuesta. Completar la tabla 4.1. Realizar el anlisis pertinente.

Refraccin de la luz

Configurar el equipo como se muestra en la figura 5.3. Alinear el rayo de luz con la normal

establecida previamente en el mismo plano del plato graduador, de modo que pase directamente atravs del centro del mismo.

Alinear la superficie plana de una lente con la perpendicular a la normal establecida en el platograduador. Rotar el plato graduador o la fuente de luz, segn el ngulo de incidencia que se quiereobservar (tabla 4.2).

Medir los ngulos de incidencia y de refraccin con respecto a la normal (figura 5.4). Completar latabla 4.2. Realizar el anlisis pertinente.

Repetir el proceso de los dos numerales anteriores rotando el plato graduador en la direccinopuesta. Completar la tabla 4.2. Realizar el anlisis pertinente.

Construir una grfica utilizando los valores de la tabla 4.2. En el eje xubicar los valores del seno del

ngulo de refraccin y en el eje yubicar los valores del seno del ngulo de incidencia. Realizar elanlisis pertinente.

Asumiendo que el ndice de refraccin del aire es 1.0, y con la informacin obtenida del numeralanterior, determinar el valor del ndice de refraccin del material del cual est conformada la lente.

Observar, describir y explicar que sucede con el fenmeno de refraccin cuando se cambia la formade la lente que acta como superficie refractora.

Reversibilidad de la luz

Configurar el equipo empleado para demostrar el fenmeno de refraccin, figura 5.3, utilizando unasuperficie refractora cilndrica (lente convergente), figura 5.5.

Alinear el rayo de luz con la normal establecida previamente en el mismo plano del plato graduador,

de modo que pase directamente a travs del centro del mismo. Alinear la superficie plana de la lente cilndrica con la perpendicular a la normal del plato graduador.

Con la lente alineada apropiadamente, verificar que el rayo refractado que se extiende del centrodel plato graduador sea perpendicular a la superficie curva de la lente.

Sin cambiar la alineacin de la lente rotar el plato graduador, o la fuente de luz, para los valores delngulo de incidencia de la tabla 4.3, figuras 5.5 y 5.6. Completar la tabla 4.3. Realizar el anlisispertinente.

Con los datos recopilados en las columnas 1 y 2 de la tabla 4.3, determinar el ndice de refraccindel material del cual est hecha la lente cilndrica. Utilizar la tcnica empleada en la seccin derefraccin de la luz, asumiendo que el ndice de refraccin del aire es 1.


9/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

9

Con los datos recopilados en las columnas 3 y 4 de la tabla 4.3, determinar el ndice de refraccin

del material del cual est hecha la lente cilndrica. Utilizar la tcnica empleada en la seccin derefraccin de la luz, asumiendo que el ndice de refraccin del aire es 1.

Utilizando los datos recopilados en la tabla 4.3, realizar un diagrama indicando la trayectoria quesigue un rayo de luz cuando entra y sale de la lente cilndrica y su direccin de propagacin. Cambiarla direccin del rayo y demostrar que los nuevos ngulos de incidencia y refraccin cumplen la leyde la refraccin. Realizar el anlisis pertinente.

Reflexin interna total

Configurar el equipo empleado para demostrar el fenmeno de reversibilidad de la luz, figuras 5.5 y

5.7. De modo que el rayo de luz incida sobre la superficie curva de la lente cilndrica. Sin mover elplato graduador ni la lente cilndrica, observar si el rayo de luz que incide es refractado totalmenteo parte del rayo se refleja. Explicar sus observaciones.

Variando progresivamente el ngulo de incidencia del rayo, verificar si para todos los valores sepresenta un rayo reflejado. Explique si todos los ngulos de reflexin cumplen con la ley de lareflexin.

De forma simultnea, verificar si para todos los ngulos de incidencia se presenta un rayorefractado.

Explicar cmo vara la intensidad de los rayos reflejados y refractados con el ngulo de incidencia. Observar y analizar para qu ngulos de incidencia toda la luz es reflejada, es decir no hay rayo

refractado. Realizar el anlisis pertinente.

Medir el ngulo crtico.

Dispersin de la luz

Configurar el equipo como se muestra en la figura 5.8. Alinear el rayo de luz con el prisma ubicadosobre el plato graduador. Realizar el anlisis pertinente.

Observar y analizar en que configuracin se presenta mejor el fenmeno de la dispersin de la luz(figura 5.9).

Tabla 4.1: Datos del fenmeno de reflexin.

ngulo de incidencia ngulo de reflexin 1 ngulo de reflexin 20102030405060708090


10/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

10

Tabla 4.2: Datos del fenmeno de refraccin.

ngulo de incidencia ngulo de refraccin 1 ngulo de refraccin 20102030405060

708090

Tabla 4.3: Datos del fenmeno de reversibilidad de la luz.

Superficie plana de la lente Superficie curva de la lentengulo de incidencia 1 ngulo de refraccin 1 ngulo de incidencia 2 ngulo de refraccin 2

01020

304050

NOTAS


11/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

11


12/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

12

5. ARREGLO EXPERIMENTAL

Figura 5.1: Arregloexperimental para observar elfenmeno de reflexin de la luz.

Figura 5.2: Rayos de luz

incidentes y reflejados segn laconfiguracin del platograduador.(Fuente: Introductory opticssystem. Instruction manual and

guide for the PASCO scientificmodel OS-8500 )

Figura 5.3: Arregloexperimental para observar elfenmeno de refraccin de laluz.


13/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

13

Figura 5.4: Rayos de luzincidentes y refractados segnla configuracin del platograduador.(Fuente: Introductory opticssystem. Instruction manual and

guide for the PASCO scientific

model OS-8500 )

Figura 5.5: Arregloexperimental para observar el

fenmeno de reversibilidad.(Fuente: Introductory opticssystem. Instruction manual andguide for the PASCO scientificmodel OS-8500 )

Figura 5.5: Ilustracin de rayos

de luz incidentes y refractados yngulo de incidencia interno yngulo de refraccin, segn laorientacin del plato graduador.(Fuente: Introductory opticssystem. Instruction manual andguide for the PASCO scientificmodel OS-8500 )


14/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

14

Figura 5.7: Arregloexperimental para observar elfenmeno de reflexin interna.(Fuente: Introductory opticssystem. Instruction manual andguide for the PASCO scientificmodel OS-8500 )

Figura 5.8: Arregloexperimental para observar elfenmeno de dispersin de la luz.

Figura 5.9: Espectro del visibleobservado en el laboratorio.


15/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

15


INFORME DE LABORATORIO

ESTUDIANTESNombre Cdigo

RESUMEN

RECOPILACIN DE DATOS


16/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

16

Tabla 1.1: Datos del fenmeno de reflexin.

ngulo de incidencia ngulo de reflexin 1 ngulo de reflexin 20102030405060

708090

Tabla 1.2: Datos del fenmeno de refraccin.

ngulo de incidencia ngulo de refraccin 1 ngulo de refraccin 20102030

405060708090

Tabla 1.3: Datos del fenmeno de reversibilidad de la luz.

Superficie plana de la lente Superficie curva de la lentengulo de incidencia 1 ngulo de refraccin 1 ngulo de incidencia 2 ngulo de refraccin 2

01020304050


17/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

17

GRFICAS


18/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

18

RESULTADOS Y ANLISIS DEL EXPERIMENTO


19/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

19

APLICACIN DEL EXPERIMENTO

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFA


20/21


Prctica No.2

A.M. Raba P.

20

PREGUNTAS: Contestar cada una de las siguientes preguntas justificando su respuesta.

El fenmeno de la reflexin de la luz se puede explicar concibiendo la luz como de naturalezaondulatoria o como de naturaleza corpuscular?

Con respecto al fenmeno de reversibilidad de la luz La ley de la refraccin es vlida para rayos deluz que viajan en cualquier direccin entre dos medios?

El principio de reversibilidad ptica se cumple para reflexin tanto como para refraccin?

En la ejecucin de las experiencias que dificultades encuentra en la medida de los ngulos deincidencia, de reflexin y de refraccin? Cmo afectaron estas dificultades sus resultados?

Utilizando un prisma y el fenmeno de reflexin interna total, qu posibilidades existen para cambiarla direccin de propagacin de un haz de luz?

Utilizando el fenmeno de reflexin interna total, explicar cmo funcionan las fibras pticas.


21/21

material de trabajo práctica 2

Documents