PR ÁC CTICA D DE L LABORATORIO Nº 0 08 REFRACCIÓN DE LA LUZ-LENTES.
A pelli pelli dos y Nombres No mbres Espinoza Vizcarra Oliver
Alumno (s):
Profesor: Programa Profesional: Fecha de entrega :
Nota
Choque Gómez Gustavo Cruz Flores Brayan Yucra Apaza, Juan Roger Operación de planta de Grupo: procesos minerales 06
05
18
Mesa de trabajo
B
3
ANEXO 8 CUESTIONARIO DE ENTRADA 1.
¿Qué objetivos se tienen en el laboratorio?
1) 2) 3) 4)
Deducir las leyes de la refracción de la luz. Comprobar experimentalmente la distancia focal de diversas lentes. Determinar el índice de refracción del agua. Determinar el ángulo crítico entre las interfaces agua-aire
2.
¿Qué principio físico se demuestra en el laboratorio?
Ley de Snell de la 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 ser refleja y parte entra al segundo medio Los ángulos de incidencia y refracción vienen relacionados por: n 1 senθ 1 =n 2 senθ 2
3.
¿Para qué me sirven las experiencias del laboratorio?
Demostrar la teoría en la práctica para poder aplicarlo más adelante en un trabajo laboral El trabajo en el laboratorio nos sirve para comprobar lo teórico con lo experimental para poder ver su error porcentual y en cuanto se acerca a lo ideal
•
•
4.
¿Qué aplicación real puede tener el laboratorio?
Una aplicación puede ser los trabajos que se usan en los laboratorios de lentes en donde se requerida saber en dónde será el punto de refracción de la luz En el centro laboral se requiera saber cuánto se desvía la luz en un frasco de agua
5.
¿Qué materiales se van a utilizar y cuál es su función de cada uno? Instrumento
Función
Set de lentes de acrílico
Nos ayuda a reflejar el rayo de luz del láser ray box
Laser Ray Box
Emite una luz de rayo láser que nos ayuda cuando utilizamos el set de lentes
Escuadra Blanca
Nos ayudara mediante sus medidas a calcular cuánto cambia cambia el ángulo ángulo de refracción
Separador de medios
Nos facilita cubrir y no dejar pasar las luces de laser que no necesitaremos
Hojas bond
Se escribirán los los trazos de luz emitidos emitidos por el láser junto al set de lentes
Regla
Nos ayuda a alinear los puntos que procederemos a marcar en la hoja bond
PR ÁCTIC A D DE L L ABOR ATOR IO N Nº 0 08 REFRACCIÓN DE LA LUZ - LENTES
1. OBJETIVOS 1) 2) 3) 4)
Deducir las leyes de la refracción de la luz. Comprobar experimentalmente la distancia focal de diversas lentes. Determinar el índice de refracción del agua. Determinar el ángulo crítico entre las interfaces agua-aire
2. MATERIALES o o o o o o
Set de lentes de acrílico Laser Ray Box Escuadra Blanca Separador de medios Hojas bond Regla
3. FUNDAMENTO TEÓRICO 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 ser 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 (conocida en Francia como Ley de Descartes): ni Senθ i = nr Senθ r
n1 i
i
r
n2 r
Reflexión especular
Refracción en un medio transparente
Figura 3.1. Refracción de la luz. 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. Una lente compuesta se forma de dos o más lentes simples. Una lente delgada, compuesta o simple, es aquella en donde el espesor de los elementos no desempeña un papel importante y como tal es despreciable. La figura ilustra la nomenclatura asociada con las lentes esféricas simples.
nm
S
C2
V1 R2
so
V2
C1
P
nl
R1
si
Figura 3.2. Lente esférica simple
Se puede trazar la trayectoria que sigue la luz al pasar a través de ambas superficies de separación, cuando el espesor (V 1V 2) es realmente despreciable y además se trata solamente de rayos paraxiales, se puede demostrar que
En donde, como de costumbre, nlm = nl/nm. Esta es la llamada ecuación de las lentes delgadas, que se conoce también como la fórmula del fabricante de lentes. Obsérvese que si s0 = ꝏ, 1/f i se igual a la cantidad en el segundo miembro y lo mismo es cierto para 1/f 0 cuando si = ꝏ. En otras palabras, f 0 = f i = f, donde
Entonces la ecuación de las lentes puede replantearse en la forma que se conoce como fórmula de las lentes de Gauss
Una onda esférica que sale del punto S como lo muestra la figura 3.3 incide sobre una lente positiva, esto, es una que es mas gruesa en su centro que en sus bordes. La zona central del frente de onda es rebajada mas que sus regiones exteriores y el frente en si mismo queda invertido, convergiendo de aquí en adelante hacia el punto P. En forma más que razonable, un elemento de esta clase se llama lente convergente y la luz se dobla hacia el eje central debido a ésta. Como se muestra en la figura 3.3, la descripción anterior supone que el índice del medio, nm es menor que nl. Sin embargo, si nm > nl una lente convergente seria mas delgada en su centro. Hablando en términos generales (nm < nl), una lente que es más delgada en su centro se conoce por diversas denominaciones: lente negativa, cóncava o divergente. La luz que pasa a través de la lente tiende a doblarse hacia fuera del eje central, por lo menos mas de lo que estaba cuando entraba CONVERGENTE
DIVERGENTE
F0
F0
Fi
Fi
Fi
Fi
Figura 3.3. Lentes convergentes y divergentes.
4. PROCEDIMIENTO 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. ♣ 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.
r
i
Figura 4.2. Esquema experimental.
♣ 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. Refracción de la luz (Aire – Agua) θi (º) θr (º) Sen θi Sen θr
nagua % error n
10
20
30
40
50
60
70
80
7
14
22
27
32.5
38
42.5
44.5
0.17
0.34
0.5
0.64
0.76
0.87
0.93
0.81
0.12
0.24
0.37
0.5
0.56
0.63
0.69
0.73
1.42
1.41
1.39
1.41
1.42
1.41
1.39
1.40
6.5%
i
r
Promedio
1.41
Figura 4.3. Esquema experimental.
♣ 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, θ°= 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. Refracción de la luz (Lente – aire)
Lentes delgadas y espejos.
θi (º) θr (º) Sen θi Sen θr
nagua % error n
10
20
30
40
15
30
44.5
62
0.17
0.34
0.5
0.64
0.25
0.5
0.70
0.89
1.49
1.46
1.40
1.37 7.25%
Promedio 90
1.43
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.
Figura 4.4 Diversas configuraciones para las lentes
.1 CUESTIONARIO .2 Con respecto al proceso de refracción de la luz usando una lente responde: .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.
.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.
.2.3 Calcule el índice de refracción promedio para el agua y su respectivo error absoluto, para cada una de las tablas 4.2 y 4.3.
.2.4 Cite 2 ejemplos de aplicación del fenómeno de reflexión total interna y 1 ejemplo de la aparición del fenómeno en la naturaleza.
.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 y algunos compuestos químicos .2.6 Determina todas las formas de formación de imágenes en las lentes biconvexa y bicóncava. (use diagramas)
Existen dos tipos de lentes que se diferencian por su forma y por como reflejan la luz. Los tipos de lentes son los siguientes:
Lentes
convergentes (f´>0): este tipo de lentes se caracteriza porque la parte central tiene mayor espesor que los bordes.
Lentes divergentes (f´<0): se caracterizan porque la parte central es más angosta que la parte de los bordes.
Las lentes convergentes son más gruesas por el centro que por el borde, y concentran (hacen converger) en un punto los rayos de luz que las atraviesan. A este punto se le llama foco (F) y la separación entre él y la lente se conoce como distancia focal (f). Observa que la lente (2) tiene menor distancia focal que la (1). Decimos, entonces, que la lente (2) tiene mayor potencia que la (1).
La potencia de una lente es la inversa de su distancia focal y se mide en dioptrías si la distancia focal la medimos en metros.
Si
miramos por una lente divergente da la sensación de que los rayos proceden del punto F. A éste punto se le llama foco virtual.
En las lentes divergentes la distancia focal se considera negativa.
Si tomas una lente convergente (seguro que las tienes en el laboratorio de tu centro) y la mueves acercándola y alejándola de un folio blanco que sostienes con la otra mano, comprobarás que para una cierta distancia se forma una imagen invertida y más pequeña de los objetos que se encuentran alejados de la lente. Cuando es posible proyectar la imagen formada decimos que se trata de una imagen real, y si no la podemos proyectar la denominamos imagen virtual .
Las lentes convergentes, para objetos alejados, forman imágenes reales, invertidas y de menor tamaño que los objetos
En cambio, si miras un objeto cercano a través de la lente, observarás que se forma una imagen derecha y de mayor tamaño que el objeto.
Para objetos próximos forman imágenes virtuales, derechas y de mayor tamaño. Intenta hacer lo mismo con una lente divergente y observarás que no es posible obtener una imagen proyectada sobre el papel y que al mirar a su través se ve una imagen derecha y de menor tamaño que los objetos.
Las imágenes producidas por las lentes divergentes son virtuales, derechas y menores que los objetos
Diagramas de rayos para la localización de la imagen formada por una lente delgada. a) Cuando el objeto está por delante y fuera del foco de una lente convergente, la imagen es real, invertida y en la cara posterior de la lente. Cuando el objeto está entre el foco y una lente convergente, la imagen es virtual, vertical y mayor que el objeto y aparece en la cara frontal de la lente. Cuando un objeto está en cualquier sitio por delante de una lente divergente, la imagen es virtual, vertical y menor que el objeto y en la cara frontal de la lente.
.1.1 En los casos en los cuales se deja un espacio hueco par formar las lentes. ¿Es normal el comportamiento del rayo transmitido? ¿Por qué?
En los casos en los que exista dicho espacio hueco ocurriría una formación de rayos de luz refractados aberrantes.
No es normal el comportamiento del rayo transmitido porque existe un rayo formado en el medio vacío que tiene cierta desviación aumentando el ángulo de refracción
.1.2 Describa la utilización de las lentes en los instrumentos (microscopio y telescopio). Descripción matemática
Aunque son muchas las aplicaciones de la Óptica dejamos para el final estos dos instrumentos basados en el empleo de dos o más lentes. Tienen una importancia clave en el desarrollo de las ciencias.
Por un lado el telescopio está en la base de los estudios de Galileo y por tanto del nacimiento de la Astronomía y la Física. El microscopio permitió ver los organismos unicelulares, los microbios y nuestras propias células, por tanto dio lugar a la Biología actual. Ambos instrumentos fueron desarrollados en Holanda en los siglos XVII y XVIII, país donde estaban los mejores fabricantes de lentes y además muchos de los científicos que desarrollaron el tema de ondas y óptica.
La idea principal en un telescopio astronómico es la captación de la mayor cantidad de luz posible, necesaria para poder observar objetos de bajo brillo, así como para obtener imágenes nítidas y definidas, necesarias por ejemplo para observar detalles finos en planetas y separar estrellas dobles cerradas.
En el gráfico superior se puede ver el funcionamiento simplificado de un típico telescopio refractor de diseño kepleriano. Este es un sistema muy simple donde los rayos convergen en el plano focal y es ahí donde se dispone el correspondiente ocular para ampliar la imagen. Los rayos de los extremos del objetivo son los que sufren la mayor refracción,
mientras que en el eje óptico (o eje de simetría), la luz no es desviada.
En la figura superior se muestra la marcha de los rayos en un telescopio reflector simple.
Una de las ventajas de los telescopios refractores sobre los reflectores es que carecen de obstrucción central (debida al espejo secundario, el cual hace sombra al primario) Esto hace que las imágenes sean más nítidas, y eso se vuelva especialmente adecuado para la observación planetaria y lunar, donde los detalles más finos son los más apreciados. El microscopio compuesto creado en Holanda en 1600 por Sacharías Jensen, nos permite observar y estudiar con detalle objetos muy pequeños, invisibles a simple vista. En un microscopio compuesto, dos o más lentes de vidrio son usadas para crear una imagen aumentada y para iluminar apropiadamente el objeto. Pese a que no está diseñado a escala, el microscopio de la experiencia permitirá al usuario notar el poder de aumento de este sistema óptico mediante combinaciones de las lentes objetiva y el ocular.
5. Aplicación a la especialidad. Se presentarán un mínimo de 2 aplicaciones del tema del laboratorio referido a su especialidad. 6. OBSERVACIONES 7.1. Para mayor ubicación de la luz y su correcta lectura tuvimos que apoyarnos de una caja cerrada en la que la luz se puede evidenciar en su mayor esplendor y dar su mayor lectura. 7.2. En la siguiente experiencia se pudo evidenciar la interacción de la luz en refracción y reflexión a través de los lentes y el dispersor de la luz. 7.3. La luz del rayo cambia de forma cuando le colocamos los diferentes tipos de lentes cambiando así también el angulo. 7. CONCLUSIONES 8.1 Estudiamos las imágenes formadas en un espejo plano. 8.2 Comprobamos experimentalmente la distancia focal de diversos lentes. 8.3 Se determinó en angulo crítico entre las interfaces agua-aire.
8.4 Se llegó a determinar el índice de refracción del agua.
8. BIBLIOGRAFIA (según formato de la APA)
Aucallanchi, F., Casado, M. (2013). FÍSICA. La aventura del pensamiento. Perú: RACSO Editores E.I.R.L. Custodio, A. (2010). Física. (3ra ed.). Perú: Impecus. De los Heros, R., Lou, M. (2001). Terra. Física. Perú: Santillana S.A. http://www.educaplus.org/luz/lente1.html (28/11/16)
