Fundamento Teórico LA REFRACCIÓN DE LA LUZ Se denomina refracción luminosa al cambio que experimenta la dirección de propagación de la luz cuando atraviesa oblicuamente la superficie de separación de dos medios transparentes de distinta naturaleza. Las lentes, las máquinas fotográficas, el ojo humano y, en general, la mayor parte de los instrumentos ópticos basan su funcionamiento en este fenómeno óptico. El fenómeno de la refracción va, en general, acompañado de una reflexión, más o menos débil, producida en la superficie que limita los dos medios transparentes. El haz, al llegar a esa superficie límite, en parte se refleja y en parte se refracta, lo cual implica que los haces reflejado y refractado tendrán menos intensidad luminosa que el rayo incidente. Dicho reparto de intensidad se produce en una proporción que depende de las características de los medios en contacto y del ángulo de incidencia respecto de la superficie límite. A pesar de esta circunstancia, es posible fijar la atención únicamente en el fenómeno de la refracción para analizar sus características. Las leyes de la refracción
Al igual que las leyes de la reflexión, las de la refracción poseen un fundamento experimental. Junto con los conceptos de rayo incidente, normal y ángulo de incidencia, es necesario considerar ahora el rayo refractado y el ángulo de refracción o ángulo que forma la normal y el rayo refractado. Sean 1 y 2 dos medios transparentes en contacto que son atravesados atravesados por un rayo luminoso en el sentido de 1 a 2 y e1 y e2 los ángulos de incidencia y refracción refracción respectivamente. Las leyes que rigen el fenómeno de la refracción pueden, entonces, expresarse en la forma: 1.ª Ley. El rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano. 2.ª Ley. (ley de Snell) Los senos de los ángulos de incidencia e1 y de refracción e2 son directamente proporcionales proporcionales a las velocidades de propagación v1 y v2 de la luz en los respectivos medios.
Recordando que índice de refracción y velocidad son inversamente proporcionales la segunda ley de la refracción se puede escribir en función de los índices de refracción en la forma:
o en otros términos: n1 · sen
= n2 · sen
= cte.
Esto indica que el producto del seno del ángulo e por el índice de refracción del medio correspondiente es una cantidad constante y, por tanto, los valores de n y sen e para un mismo medio son inversamente proporcionales. Debido a que la función trigonométrica seno es creciente para ángulos menores de 90º, de la última ecuación se deduce que si el índice de refracción ni del primer medio es mayor que el del segundo n2, el ángulo de refracción e2 es mayor que el de incidencia e1 y, por tanto, el rayo refractado se aleja de la normal. Por el contrario, si el índice de refracción n1 del primer medio es menor que el del segundo n2, el ángulo de refracción e2 es menor que el de incidencia el y el rayo refractado se acerca a la normal. Estas reglas prácticas que se deducen de la ecuación son de mucha utilidad en la representación de la marcha de los rayos, operación imprescindible en el estudio de cualquier fenómeno óptico desde la perspectiva de la óptica geométrica. La refringencia de un medio transparente viene medida por su índice de refracción. Los medios más refringentes son aquellos en los que la luz se propaga a menor velocidad; se dice también que tienen una mayor densidad óptica. Por regla general, la refringencia de un medio va ligada a su densidad de materia, pues la luz encontrará más dificultades para propagarse cuanta mayor cantidad de materia haya de atravesar para una misma distancia. Así pues, a mayor densidad, menor velocidad y mayor índice de refracción o grado de refringencia.
Material
Caja luminosa, halógena, 12v/20W Con 3 diafragmas de cierre hermético Con 1 diafragma, 1/2 rendijas
Fuente de alimentación 3…12v -/6v.., 12v
Cuerpo óptico, semicircular
Disco óptico
Montaje Ver figura1
Coloca el disco óptico en la mesa delante de ti y el cuerpo óptico, con la superficie mate hacia abajo, sobre la línea vertical, dentro de las marcas, como se muestra en la Fig. 1.
Coloca el diafragma de una rendija en la caja luminosa sobre la parte de la lente, y ponla a aproximadamente a 1 cm del disco óptico. El lado semicircular del cuerpo óptico queda frente a la caja luminosa (Fig. 1)
Realización o
Conecta la caja luminosa a la fuente de alimentación.
o
Desplaza la caja luminosa hasta que el haz estrecho discurra exactamente sobre el eje óptico.
o
Si la posición del cuerpo óptico y la caja es correcta, el haz el haz de luz estrecho continuara discurriendo sobre ele eje óptico después de atravesar el cristal.
o
Desplaza la caja luminosa hasta que la luz incida sobre el c uerpo óptico formando un ángulo de 10°
o
Observa el comportamiento del haz de luz e strecho, después de atravesar el cuerpo óptico, al salir por la superficie de separación vidrio/aire.
o
Compara el ángulo de incidencia con el ángulo entre el haz de luz saliente y el eje óptico.
o
Mide el ángulo de refracción.
o
Desplaza la caja luminosa hasta que el haz de luz incidente forme exactamente un ángulo de 20° con la normal al plano de incidencia.
o
Lee el ángulo de refracción β correspondiente y anota de nuevo su valor en la tabla.
o
Repite este procedimiento con los ángulos de incidencia α dados en la tabla, anotando los ángulos de refracción β correspondientes.
o
Observa el comportamiento del haz de luz e strecho en la superficie de separación vidrio/aire, con el ángulo de incidencia α=40°
o
Desconecta la fuente de alimentación.
Observaciones 1. Comportamiento del haz de luz estrecho al atravesar oblicuamente la superficie de separación vidrio/aire ( α=10°) Se observa un quiebre del haz de luz, como si estuviera desviándose levemente. 2. Comparación entre el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción. Observamos que cuando el ángulo de incidencia es 10°, e l ángulo de refracción es 14°, por lo tanto la refracción nos es tan notoria, pero existe. 3. Comportamiento del haz de luz estrecho al atravesar oblicuamente la superficie de separación vidrio/aire ( α=40°) Cuando el ángulo de incidencia es 40°, el ángulo de refracción es 70°, aquí se observa más claramente la refracción del haz.
ANGULO DE INCIDENCIA
α
ANGULO DE REFRACCION
10°
14°
20°
30°
30°
47.5°
40°
70°
β
Evaluación 1. Describe de acuerdo con lo que has observado, cómo se comporta el haz de luz estrecho al atravesar oblicuamente una superficie de separación vidrio/aire. El haz de luz se quiebra, es decir se desvía levemente de su trayectoria inicial, a esto se le llama refracción. 2. Compara entre sí los ángulos de incidencia y los correspondientes de refracción. Notamos que el ángulo de refracción siempre e s mayor que el de incidencia, y que mientras mayor sea el ángulo de incidencia la diferencia entre ambos se acrecienta más y más.
3. Compara las observaciones del haz de luz estrecho con α=10° y α=40°. ¿Qué diferencia puedes comprobar? La diferencia más notoria se da e n el ángulo de refracción, este para los ángulos de incidencia α=10° y α=40° son 14° y 70° respectivamente, también observamos que para ángulos mayores de 43° el haz refractado se acerca a la normal y una vez que llega a este punto el haz pasa de ser refractado a ser reflejado, este suceso se le llama Reflexión total. 4. Trata de explicar cómo se comporta un haz de luz estrecho enviado por una fuente de luz bajo agua (ej.: la caja luminosa de un buceador) al atravesar la superficie de separación agua/aire. Cuando la luz pasa del agua al aire, una parte logra atravesarla y otra parte es reflejada. La cantidad de luz reflejada depende del ángulo de los rayos luminosos. Si se refleja toda la luz, se trata de una reflexión interna total
5. Trata de explicar, observando la Fig. 2, por qué parecen estar elevados los objetos dentro del agua. Este fenómeno se explica mediante la Ley de Snell, que nos dice que 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. La razón por la cual los objetos se ven diferentes, distorsionados o en una posición diferente a la real, cuando están bajo el agua se debe al fenómeno óptico llamado refracción. La refracción de la luz (conjunto de ondas electromagnéticas) es aquel fenómeno por el c ual la onda cambia su dirección de recorrido. Mientras más denso sea el material por el que pasa, mayor será el desvío de la luz y por lo tanto se distorsionará más la imagen del objeto. Para que podamos ver la luz debe llegarnos a los ojos. Antes de que la luz llegue a nuestros ojos esta pasa a través del a ire que como sabes tiene una densidad mínima debido a su composición gaseosa. Pero el agua es muy denso comparado con el aire por lo que la luz al cambiar su recorrido desde el aire al agua, cambiará su dirección de una manera bien marcada.
