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PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 08 REFLEXIÓN - REFRACCION DE LA LUZ, LENTES Y ESPEJOS. 1. INTR INTROD ODUC UCCI CION ON La óptica es la rama de la física !e se oc!pa de la propa"ación y el comportamiento de la l!#. La l!# es la #ona del espectro de radiación elec electr trom oma" a"n$ n$ti tica ca !e !e se e%ti e%tien ende de desd desde e los los rayo rayos s & 'ast 'asta a las las microondas( e incl!ye la ener"ía radiante !e prod!ce la sensación de )isión. El est!dio de la óptica se di)ide en dos ramas* La óptica "eom$trica y la óptica física. En este laboratorio se )er+ al"!nos de los fenómenos est!diados en óptica( los p!ntos m+s importantes a est!diar son los fenómenos de Re,e%ión Re,e%ión y refracción. -aciendo !so de los materiales proporcionados en el laboratorio laboratorio se est!diar+ est!diar+ las im+"enes im+"enes formadas formadas en !n espeo plano. Se )a a ccomprobar e%perimentalmente la distancia focal de di)ersas lentes y determinaremos determinaremos el índice de refracción del a"!a.
Esp!"#$% s" $ s& "'!"$% s (s p!s#)" " *%#)+#&"*+# . OB OBJE JETI TI OS /0 10 30 40 50
Est!diar Est!diar las im+"en im+"enes es formadas formadas en en !n espeo espeo plano. plano. 2ed!cir 2ed!cir las leyes leyes de la la re,e%ió re,e%ión n y refracció refracción n de la l!#. Comproba Comprobarr e%perimenta e%perimentalment lmente e la distancia focal focal de di)ersas di)ersas lentes. lentes. 2etermin 2eterminar ar el índice índice de refra refracción cción del del a"!a. 2etermin 2eterminar ar el +n"!lo crítico crítico entre las interface interfaces s a"!a6aire. a"!a6aire.
/. ATE ATERI RIAL ALES ES -
F!ente l!minosa Espeos esf$ricos 7!e"o de lentes lentes de acrílico Emisor l+ser Re"la 8l9leres Papel polar
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F!ente l!minosa.
Espeos esf$ricos.
7!e"o de lentes de acrílico.
Re"la.
8l9leres.
Papel polar.
Emisor laser.
INDICACIONES DE SEURIDAD •
I2p(2#)%s $ s'&!+$"$ $ &s% %3(+'")%!+%
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•
N
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A#4(+s+s $ T!"3"5% S'&!% 6ATS7
PASOS BASICOS DEL DA9O 6RIESO7 TRABAJO PRESENTE EN CADA PASO. I#'!s% "( T!%p+:%s, *";$"s < ("3%!")%!+%. !%)&!"s $ (%s )%2"*%!!+#)s.
CONTROL DE RIESO I#'!s"! # %!$# *&+$"#$% $ #% !%2p! (%s )%2"*%!!+#)s 2p%)!"$"s # ( p+s%. P%#! (%s 2")!+"(s < >&+p%s # ( *#)!% $ (" 2s" < *%# *&+$"$%.
R=+s+# $ (%s P!$+$" $ "('?# >&+p%s 2")!+"(, < 2")!+"(s *%# (%s*";$"s $ %35)%s. >& s =" " )!"3"5"!.. I#s)"("*+# $( Ds*"!'" (@*)!+*" "( As'&!"!s >& (%s >&+p% R"(+:"! (" *%#+# " ("*%#$&*)%!s (@*)!+*%s *%# (%s ("s! p"!" !"(+:"! ("&#) $ "(+2#)"*+#. >& ="2%s " )!"3"5"! s)@# 3&# s)"$%. )%2" $ $")%s
/
R"(+:"! (" )%2" $ D"%s s=!%s # (" E=+)"! # )%$% 2%2#)% 2+!"! =+s)" 6*'&!" " ("!'% $+!*)"2#) " (" (&: $( $")%s p"!" *"$" p(":%7 *"&s"$%s P%! (%s 2+s%! p!+#*+". !"<%s ("s!. L"s! 6#% $5"! $ ("$% ( &s% $ (#)s $ s'&!+$"$7 Ds2%#)"5 $( C";$" $ (%s %35)%s < "#+p&("! *%# *&+$"$% (%s >&+p% ("s! &#" =:"=!;"s # (%s sp5%s. ")!+"(s < *%(%*"!(% # s&s "3! )!2+#"$% *%# !sp*)+="s *"5"s. (" )%2" $ $")%s. E#)!'" $ (%s P!$+$" $ "('?# P!=+" #)!'" !=+s"! < 2")!+"(s < 2")!+"( *%#)"3+(+:"! (%s 2")!+"(s < >&+p%s. % >&+p%. >&+p%s. E# *"s% $ "=!;"s % p!$+$"s +#%!2"! "( $%*#) $ ("3%!")%!+%.
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A$=!)#*+"s
Por nin":n moti)o permita !e el 'a# de l!# incida sobre la )ista( p!es podría ca!sar !n da;o irreparable.
. FUNDAENTO TEÓRICO RH+#
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8l cambio de dirección !e e%perimenta la l!# al lle"ar a !na s!per9cie p!lida se le llama re,e%ión. En casi cada momento de la )ida diaria se enc!entran e%periencias !e son consec!encias de la re,e%ión de la l!#. Usted est+ leyendo estas líneas "racias a !e la l!# !e se re,ea en la s!per9cie( se obser)a en !n espeo por la l!# re,eada sobre $l. El principio o la ley de la re,e%ión de la l!#( se aplica en las e%periencias !e se acaban de describir y en m!c'os otros. La ley de la re,e%ión se p!ede )er desde otro p!nto de )ista diferente !e )iene del Principio de Fermat !e establece !e =2e todos los posibles caminos p!ede tomar la l!# para despla#arse( toma siempre a!el !e lo lle)a a recorrer en el tiempo mas corto> o dic'o de otro modo =La trayectoria real entre dos p!ntos tomados por s! 'a# de l!# es a!ella !e es recorrida en el tiempo mínimo>.
L" !H+# sp*&("! se prod!ce c!ando la l!# se re,ea sobre !na s!per9cie p!lida como !n espeo( mientras !e c!ando la re,e%ión se prod!ce sobre !na s!per9cie r!"osa se denomina refexión diusa . En el caso partic!lar de la re,e%ión espec!lar ?"eneralmente c!ando se 'abla de re,e%ión se 'ace referencia a este tipo0 se c!mple lo !e se denomina la ley de re,e%ión* 617 θi @ θi A!e nos indica !e el +n"!lo de incidencia es i"!al al +n"!lo de re,e%ión. El índice de refracción de !n medio se de9ne como* n
velocidad delaluz en el vacío =
velocidad delaluz enunmedio
c =
v
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Ba !e se sabe !e la )elocidad de la l!# ?)0 cambia de ac!erdo al medio en !e atra)iese( así tambi$n como la lon"it!d de onda ? λ0 mientras !e la frec!encia ?f0 permanece constante. Recordemos !e la )elocidad de !na onda se relaciona con la frec!encia ?f0 y la lon"it!d de onda ? λ0 de ac!erdo con la si"!iente relación* ) @ λf
6/7
R!"**+# La reracción de la luz se prod!ce c!ando !n rayo de l!# !e )iaa en !n medio transparente enc!entra !na frontera !e lle)a a otro medio transparente( parte del rayo ser re,ea y parte entra al se"!ndo medio. El rayo !e entra al se"!ndo medio se dice !e se refracta. Estos tres rayos se enc!entran en el mismo plano. El 'a# incidente y el refractado c!mplen la si"!iente re"la !e es conocida como la Ley de Snell ?conocida en Francia como Ley de Descartes0*
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ni Senθ i
=
nr Senθ r
F+'&!" /.1. Refracción de la l!#. L#)s $('"$"s Una lente es !n sistema refrin"ente !e consiste en dos o m+s s!per9cies de separación( de las c!ales !na por lo menos es c!r)a. Una lente simple( consiste de !n elemento solamente( lo c!al a s! )e# si"ni9ca !e tiene solamente dos s!per9cies de separación refrin"ente. Una lente compuesta se forma de dos o m+s lentes simples. Una lente delgada( comp!esta o simple( es a!ella en donde el espesor de los elementos no desempe;a !n papel importante y como tal es despreciable. La 9"!ra il!stra la nomenclat!ra asociada con las lentes esf$ricas simples.
F+'&!" /.. Lente esf$rica simple. Se p!ede tra#ar la trayectoria !e si"!e la l!# al pasar a tra)$s de ambas s!per9cies de separación( c!ando el espesor ? V V 0 es realmente despreciable y adem+s se trata solamente de rayos para%iales( se p!ede demostrar !e 1
1 s0
+
1 si
= (nlm − 1) 1 − 1 R1 R2 1
2
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En donde( como de cost!mbre( nlm @ nlnm. Esta es la llamada ecuación de las lentes delgadas( !e se conoce tambi$n como la formula del fabricante de lentes. Obs$r)ese !e si s D @ °°( /f i se i"!al a la cantidad en el se"!ndo miembro y lo mismo es cierto para /f D c!ando si @ °°. En otras palabras( f D @ f i @ f( donde
= (nlm − 1) 1 − 1 f R1 R2 1
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Entonces la ec!ación de las lentes p!ede replantearse en la forma !e se conoce como formula de las lentes de Gauss * 1 s0
+
1 si
=
1 f
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Una onda esf$rica !e sale del p!nto S como lo m!estra la 9"!ra 3.3 incide sobre !na lente positi)a( esto( es !na !e es mas "r!esa en s! centro !e en s!s bordes. La #ona central del frente de onda es rebaada mas !e s!s re"iones e%teriores y el frente en si mismo !eda in)ertido( con)er"iendo de a!í en adelante 'acia el p!nto P. En forma m+s !e ra#onable( !n elemento de esta clase se llama lente convergente y la l!# se dobla 'acia el ee central debido a $sta. Como se m!estra en la 9"!ra 3.3( la descripción anterior s!pone !e el índice del medio( n m es menor !e n l. Sin embar"o( si n m nl !na lente con)er"ente seria mas del"ada en s! centro. -ablando en t$rminos "enerales ?nm nl0( !na lente !e es m+s del"ada en s! centro se conoce por di)ersas denominaciones* lente ne"ati)a( cónca)a o di)er"ente. La l!# !e pasa a tra)$s de la lente tiende a doblarse 'acia f!era del ee central( por lo menos mas de lo !e estaba c!ando entraba.
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CONERENTE
DIERENTE
F+'&!" /./. Lentes con)er"entes y di)er"entes.
. PROCEDIIENTO RH+# $ (" (&: &s"#$% # &# sp5% p("#%. P%! #+#'?# 2%)+=% p!2+)" >& ( ": $ (&: +#*+$" s%3! (" =+s)", p&s p%$!;" *"&s"! &# $"% +!!p"!"3(. N% +#)#) =! $+!*)"2#) ( ": $ (&: (4s!. H Colo!e el espeo en posición )ertical con la ay!da de la madera y la li"a( l!e"o c$ntrelo en el papel polar( alineando la s!per9cie e%terna del espeo con la línea correspondiente a D °. H Colo!e !n al9ler en el ori"en ?p!nto de con)er"encia de todas las líneas0 del papel polar. H 8linee el l+ser a lo lar"o de !na de las líneas para !no de los +n"!los s!"eridos en la tabla 4./( acti)e el p!ntero y diríalo 'acia el al9ler. H Obser)e y mida el +n"!lo !e forma el 'a# re,ectado y anótelo en la tabla 4./. H Repita los dos :ltimos procedimientos para todos los +n"!los.
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F+'&!" .1. Es!ema e%perimental.
T"3(" .1. Re,e%ión de la l!#. Er ?I0
θr θi
/D 1D 3D 4D 5D GD JD KD
/D 1D 3D 4D 5D GD JD KD
D D D D D D D D
I I I I I I I I
R!"**+# $ (" (&: &s"#$% &#" (#). H 8note la lon"it!d de onda del l+ser. H Colo!e el lente en el papel polar alinee la s!per9cie plana con la línea correspondiente a D°( 'a"a coincidir el centro de esta cara plana con el ori"en del papel polar. H 8linee el p!ntero l+ser a lo lar"o de !na de las líneas ?tal como se indica en la 9"!ra 4.10 para !no de los +n"!los s!"eridos en la tabla 4.1( acti)e el p!ntero y diríalo 'acia el ori"en.
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F+'&!" .. Es!ema e%perimental. H Se p!ede obser)ar la tra#a del 'a# de l!# refractado en el papel dando !na li"era inclinación al l+ser( obser)e y mida el +n"!lo !e forma el 'a# refractado y anótelo en la tabla 4.1. H Repita los dos :ltimos procedimientos para todos los +n"!los indicados en la tabla 4.1.
T"3(" .. Refracción de la l!# ?8ire – lente0 θi
?0
/D
1D
3D
4D
5D
GD
JD
KD
Promedi o
θr
?0 Sen θi Sen θr na"!a I error n
F+'&!" ./. Es!ema e%perimental. H Repita los tres :ltimos procedimientos obser)ando la 9"!ra 4.1 y complete la tabla 4.1. Enc!entre el +n"!lo crítico ?a partir del c!al se prod!ce el fenómeno re,e%ión total interna( θt @ MD°0
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Observación* Considere !e naire ≈ /( y !e la frec!encia no )aria al pasar de !n medio a otro. El s!bíndice =lente> en la tabla 4.1./ 'ace referencia al medio refractante.
T"3(" ./. Refracción de la l!# ?Lente – aire0 θi
?0
/D
1D
3D
4D
Promedi o MD
θr
?0 Sen θi Sen θr na"!a I error n
L#)s $('"$"s < sp5%s. H Tomas las diferentes lentes !e te proporcione el profesor y con ay!da de la l+ser tra#a 5 rayos como en la 9"!ra 4.4 y 'alla la distancia focal para cada caso tra#ando los 'aces l+ser transmitidos. H -a# lo propio con los espeos y s!s 'aces re,eados.
/D
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F+'&!" . 2i)ersas con9"!raciones para las lentes. RH+# $ (" (&: p%! p!+s2"s. H -a# la con9"!ración de la "ra9ca y tra#a los rayos transmitidos.
F+'&!" .. Prismas. G. CUESTIONARIO .1
C%# !sp*)% "( p!%*s% $ !H+# $ (" (&: &s"#$% # &# sp5% p("#% !sp%#$ 5././ E%pli!e debido a !e factores en n!estra e%periencia el +n"!lo de incidencia no es e%actamente i"!al al +n"!lo de re,e%ión ?tabla 4./0.
5.2
C%# !sp*)% "( p!%*s% $ !!"**+# $ (" (&: &s"#$% &#" (#) !sp%#$ 5.1./ Con los datos de las tablas 4.1 y 4.3 constr!ya la "r+9ca del +n"!lo de refracción en f!nción del +n"!lo de incidencia( es decir( θr @ θr ?θi0. Nnterprete las "ra9cas.
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5.1.1 Con los datos de las tablas 4.1 y 4.3 "ra9!e ?Sen θi Sen θr0 en f!nción del +n"!lo de incidencia. Nnterprete las "ra9cas.
5.1.3 Calc!le el índice de refracción promedio para el a"!a y s! respecti)o error absol!to( para cada !na de las tablas 4.1 y 4.3.
5.1.4 Cite 1 eemplos de aplicación del fenómeno de re,e%ión total interna y / eemplo de la aparición del fenómeno en la nat!rale#a. 5.1.5 8 !$ s!stancias !sadas o solamente conocidas en s! especialidad podría Ud. 2eterminar s! índice de refracción mediante esta e%periencia
./
C%# !sp*)% "( p!%*s% $ (#)s $('"$"s < sp5%s !sp%#$ 5.3./ 2etermina todas las formas de formación de im+"enes en las lentes bicon)e%a y bicónca)a. ?!se dia"ramas0
5.3.1 En los casos en los c!ales se dea !n espacio '!eco par formar las lentes. Es normal el comportamiento del rayo transmitido Por !$
5.3.3 2escriba la !tili#ación de las lentes en los instr!mentos ?microscopio y telescopio0. 2escripción matem+tica.
.
C%# !sp*)% "( p!%*s% $ !H+# $ (" (&: p%! p!+s2"s !sp%#$ 5.4./ 8 !$ se debe este comportamiento de los 'aces de l!#
5.4.1 A!$ aplicación tecnoló"ica p!eden tener Qenciona 1.
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. PROBLEAS G.1 Nn Fi"!re( a ray of li"'t is perpendic!lar to t'e face ab of a "lass prism ?n @ /.510. Find t'e lar"est )al!e for t'e an"le f so t'at t'e ray is totally re,ected at face ac if t'e prism is immersed ?a0 in air and ?b0 in ater.
G. Nn Fi"!re( a li"'t ray in air is incident on a ,at layer of material 1 t'at 'as an inde% of refraction n @ /.5. eneat' material 1 is material 3 it' an inde% of refraction n3. T'e ray is incident on t'e air–material 1 interface at t'e rester an"le for t'at interface.T'e ray of li"'t refracted into material 3 'appens to be incident on t'e material 1 – material 3 interface at t'e rester an"le for t'at interface.'at is t'e )al!e of n3
8. OBSERACIONES J./ J.1
K. CONCLUSIONES 8.1
8.
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K. BIBLIORAFIA 6s'?# %!2")% $ (" APA7
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