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LEY DE SNELL EN PRISMAS Monttañe Mon ñezz AT 1 , E st stup upiña iñan n AE 1 ,G ,Ga arcia AM 1. Profesor: Ángel José Chacón Óptica Física, Escuela de Física, Facultad de Ciencias Básicas 1Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia- “Uptc” Tunja-Colombia Septiembre , 2017 Resumen
En esta práctica estudiaremos como los rayos de luz al incidir por un prisma recurrimos a las leyes de la reflexión y la refracción, también conocida ley de Snell, para el desarrollo experimental utilizamos utilizamos un haz de luz blanca la cual asemos incidir sobre un prisma óptico de acrílico o (vidrio), parte del haz se refleja formando un ángulo A con la normal de la superficie del prisma y otra parte se refracta a través del d el prisma formando un ángulo ∝ con la normal a las dos caras del d el prisma y vuelve a reemerge al aire formando un ángulo G con la posible trayectoria que debería hacer el haz de luz incidente. También vamos a observar como este haz de luz al atravesar el prisma óptico, aparecerá una banda coloreada muy semejante a una porción del arcoíris, para esto vamos a tener en cuenta la demostración de Newton la cual dice que la luz era una combinación de los colores que aparecían y los denominó espectro. Palabras claves: Ley de Snell, Prisma Óptico, Reflexión, Refracción, Luz blanca, Banda colores, Newton. Abstract
In this practice we will study how rays of light when impacted by a prism we resort to the laws of reflection and refraction, also known Snell's law, for experimental development we use a white beam of light which we asce to impact on an optical prism acrylic or (glass), part of the beam is reflected at an angle A with the normal of the surface of the prism and another part is refracted through the prism forming an angle α with the normal one at both
sides of the prism and reemerge at air at an angle G with the possible path that the incident light beam should make. We are also going to observe how this beam of light when crossing the optical prism, will appear a colored band very similar to a portion of the rainbow, for this we will take into account the demonstration of Newton which says that the light was a combination of the colors that appeared and called them spectrum. K eywo yworr ds: Snell Law, Optical Prism, Reflection, Refraction, White Light, Color Band, Newton.
I.
INTRODUCCIÓN
El prisma es un instrumento de gran importancia en la historia de la Óptica. Newton demostró con el prisma que la luz blanca es una mezcla de varios colores y que la refracción depende del color. Los prismas desempeñan muchos papeles diferentes en la óptica; hay combinaciones de prismas que sirven como divisores de haz, sistemas polarizadores e interferómetros. Los prismas tienen dos tipos de funciones principales, la reflexión y la dispersión. El prisma reflector es aquel en el cual es haz de luz es introducido de tal manera que se produzca al menos una reflexión interna para el propósito específico de cambiar ca mbiar la dirección de propagación, o la orientación de la imagen o ambas.
El prisma dispersivo es aquel en el cual un haz de luz lo atraviesa y saldrá después de haber sido desviado de su dirección original en un ángulo denominado desviación angular. [1] II. OBJETIVOS
Estudiar la propagación de la luz y aplicar las leyes de la reflexión y refracción en el estudio del prisma Óptico. Estudiar la dispersión de la luz siguiendo el experimento realizado originalmente originalmente por Isaac Newton.
2 luminosa le corresponde un índice de refracción diferente, y por ello sufren distintas desviaciones. El ángulo de desviación de la luz refractada es mayor cuanto mayor es la frecuencia. Hoy llamamos espectro al resultado del análisis de las distintas frecuencias que integran una radiación compleja. En la Figura 2 podem os ver el conjunto del espectro electromagnético, del que el espectro visible es una pequeña porción cuyas longitudes de onda aparecen en la tabla 1.
III. MATERIALES
Se utilizaron los siguientes materiales:
Fuente luminosa. Tabla de rayos con porta ángulos giratorio. Espejo de caras planas. Dos prismas a 45° (acrílico o vidrio). Diferentes lentes ópticas. Pantalla blanca. IV. MARCO CONCEPTUAL
La Óptica Geométrica se ocupa de en qué direcciones se propaga la luz, tratando de determinar la trayectoria de esta al atravesar esta diferentes medios, o reflejarse en la superficie que los separa. Para ello trabaja con rayos. Si tapamos una fuente luminosa con una pantalla opaca y solo dejamos pasar luz a través de un pequeño agujero hecho en la misma, obtenemos un fino haz de luz con forma de cono. Si el ángulo de apertura del cono es muy pequeño podemos considerar este haz como un rayo de luz. F igur a 2. E spectro electromagnético.
Un prisma óptico es un medio transparente limitado por dos superficies planas que forman un ángulo diedro A (llamado ángulo de refringencia). Es, después de las lentes, la pieza más útil de los aparatos ópticos. Newton descubrió en 1666 que cuando se hacía pasar un haz de luz natural a través de un prisma óptico, aparecía una banda coloreada muy semejante a una porción de arcoíris, y demostró que la luz era una combinación de los colores que aparecían (Fig. 1).
Tabla1: E l espectro visi ble.
Según su origen podemos distinguir dos tipos de espectros:
F igur a 1. Dispersión de la luz blanca por un pri sma óptico.
En su experiencia, Newton dispersó los distintos compo nentes de la luz natural en lo que denominó espectro. El fundamento de la dispersión de la luz blanca radica en que las distintas radiaciones que componen la luz natural viajan en el vacío con la misma velocidad, mientras que en e l vidrio lo hacen con velocidades distintas. A cada frecuencia componente de la radiación
Los espectros de emisión, que resultan del análisis de la luz emitida por sustancias incandescentes; Los espectros de absorción, que resultan del análisis de la luz que emite un foco luminoso conocido cuando ésta es obligada a atravesar determina da substancia. Según su aspecto, los espectros son continuos y disconti nuos. Estos últimos pueden ser de rayas (originados por átomos) o de bandas (originados por moléculas). [2] Newton le dio el nombre de spectrum y reparó que la imagen resultaba siempre más larga que la esperada de
3 la ley de refracción. Además, demostró que si luego se refracta en otro prisma uno de los haces monocromáticos (p.e. el rojo) no se logra una nueva dispersión cromática
PARTE B: Colocamos
el mismo prisma de acrílico en un punto fijo, al frente de el colocamos una pantalla la cual estará a 10 cm del prisma luego hacemos incidir un haz de luz blanca la cual se encontrara a 20 cm del prima ¿Qué es lo que observamos en la pantalla si dejamos el prisma en la posición normal y cuando lo colocamos a un ángulo de 45°? Por ultimo para corroborar el experimento de dispersión de Newton vamos a colocar 3 lentes (Plano cóncava, plano convexa, triangular) y un prisma las hacemos incidir por un haz de luz blanca y observaremos que sucede.
PARTE C:
GALERI A FOTOGRAFI CA F igur a 3. Di sposición para determinar el índice de refr acción del prisma.
Para reproducir el experimento de dispersión basta utilizar una linterna cuyo haz se enfoca con un lente convergente sobre el prisma y el espectro dispersado se recoge sobre una pared o pantalla como se muestra esquemáticamente en la figura 3. Se recomienda hacerlo en un lugar con la mayor oscuridad posible para observar el espectro de colores. El prisma debe contener el líquido con mayor índice de refracción. La figura 4 es un esquema original del experimento de Newton. [3] F igur a 5. Montaje Parte A: Pr isma de acrílico sobre una lente plana e incidida por un haz de luz blanca.
F igura 4. E squema ori gi nal del experimento de Newton.
V. PROCEDIMIENTO
F igur a 6.Montaje Parte A: Pr isma de vidri o o (de espejos) sobre una lente plana e incidida por un haz de luz blanca.
A continuación se describe el proceso de medidas. Seguramente le será más fácil completar este proceso rellenando el informe de laboratorio paso a paso. Procederemos por etapas realizando los experimentos que se indican: Parte A: Para
esta primera parte vamos a colocar un prisma de acrílico encima de una lente plana para que pueda quedar a la misma altura de la fuente, luego hacemos incidir en el prisma el haz de luz blanca e inmediatamente observamos que sucede ¿ Que podría pasar si cambiamos el prisma de acrílico por uno de vidrio ?
F igur a 7. Montaje Parte B: P risma en acrí lico en un punto fi jo con una pantalla a 10 cm y un haz de luz blanca a 20 cm. .
4 blanca entrando al prisma es una mezcla de diferentes frecuencias y cada una se desvía de manera diferente. La luz azul es disminuida a menor velocidad que la luz roja Parte B: Los prismas refractivos son los que únicamente
reflejan la luz, como son más fáciles de elaborar que los espejos, se utilizan en instrumentos ópticos como los prismáticos, los monoculares y otros. GEOMETRIA DE LOS PRISMAS: Si asumimos que la luz incidente es monocromática, fija dos A (un único prisma) y el (ángulo de incidencia) obtendremos un único valor para δ. Si, por el contrario, variamos el ángulo de incidencia, la desviación también variará: si ε1 decrece a parir de un valor grande, δ decrece en pri ncipio, y después aumenta, pasando por un minuto para un ángulo de incidencia bien definido: cuando los rayos atraviesan el prisma simétricamente . El ángulo δm de mínima desviación se puede obtener aplicando la condición de extremo a la expresión de δ;
F igur a 8. Montaje Parte B: Pr isma en acrí lico a un ángulo de 45° con una pantalla a 10 cm y un haz de luz blanca a 20 cm.
F igur a 9. Montaje Parte C: Montaje para corroborar el experimento de dispersión de Newton con 3 lentes (Plano cóncava, plano convexa, tri angular) y un pri sma
El famoso experimento de Newton para demostrar que la luz blanca está compuesta de luz de diferentes colores puros. VII. ANALISIS Y RESULTADOS
La descomposición de la luz blanca que se produce en el prisma de cristal se debe a que cada uno de los colores tiene diferente índice de refracción: el más refractado o desviado es el violeta y el menos refractado es el rojo. Este se desvía menos por tener mayor velocidad al atravesar el prisma y el violeta se desvía más al adquirir menor velocidad de propagación. De acuerdo con la ley de Snell, cuando la luz pasa del aire al vidrio del prisma disminuye su velocidad, desviando su trayectoria y formando un ángulo con respecto a la interface. Como consecuencia, se refleja o se refracta la luz. El ángulo de incidencia del haz de luz y los índices de refracción del prisma y el aire determinan la cantidad de luz que será reflejada, la cantidad que será refractada o si sucederá exclusivamente alguna de las dos cosas. Parte A:
Los prismas dispersivos son usados para descomponer la luz en el espectro del arcoíris, porque el índice de refracción depende de la frecuencia; la luz
F igura 10. E squema o (G eometrí a) de un haz de luz que pasa atreves de un pri sma tri angular cuando esta fi jo. VIII. CONCLUSIONES
Esta experiencia resulta ser un método experimental muy sencillo para estudiar las leyes de la óptica geométrica. La visualización de los contenidos teóricos vistos en clase ayudará a la mejor comprensión de estos por parte del alumnado. Debemos tener en cuenta que la realización de prácticas no es un sustitutivo completo para la enseñanza, ni un nuevo método de aprendizaje, sino una herramienta que puede y debe combinarse con las distintas clases del curso.
5 BIBLIOGRAFIA OSUNA, L., MARTÍNEZ TORREGROSA, J., CARRASCOSA ALÍS, J., & VERDÚ CARBONELL, R. (2007). Planificando la enseñanza problematizada: el ejemplo de la óptica geométrica en educación secundaria.
REFERENCIAS
[1]http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/ondas/reflex_trans/pris ma/prisma.html [2] https://w3.ual.es/personal/acuetos/AF/practicas/pr_1.pdf [3]https://www.researchgate.net/profile/Juan_Diaz27/publicati on/266138715_Taller_de_Experimentos_Sencillos_de_Optica _Experiencias_Demostrativas_de_Optica_Fisica_y_Optica_G eometrica_en_Educacion_Basica_y_Media/links/5433bbd70c f2dc341dad9c4f/Taller-de-Experimentos-Sencillos-de-OpticaExperiencias-Demostrativas-de-Optica-Fisica-y-OpticaGeometrica-en-Educacion-Basica-y-Media.pdf ANEXOS
Para caracterizar los vidrios ópticos, existe el convenio de tomar unas longitudes de onda tipo, pertenecientes a los espectros atómicos de ciertos elementos y dar los índices de refracción correspondientes. Algunas de esas longitudes de onda de referencia se listan en la tabla 2.
Tabla 2.Longitudes de onda
de algunas líneas espectrales características
En general, el índice de refracción es mayor para las lon gitudes de onda más cortas, y su variación con λ puede ser muy distinta de unas substancias a otras.
