01 Laboratorio Virtual Refraccion y La Ley de Snell PDF

 

 

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REFRACCIÓN Y LA LEY DE SNELL  SNELL   1. OBJETIVOS:  Determinar el índice de refracción de diferentes sustancias utilizando la ley de Snell.

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 Determinar el ángulo crítico para la interfaz entre diferentes sustancias.  sustancias. 

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2. FUNDAMENTO TEÓRICO: Leyes de refracción:  refracción:   Cuando un rayo luminoso incide sobre la superficie de separación entre dos medios diferentes, parte de la energía que transporta se refleja y parte se desvía o refracta. La refracción se produce porque la velocidad de la luz es diferente en cada uno de los medios. Se denomina índice de refracción n de un medio al cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en dicho medio. La normal a la superficie, el rayo incidente y el rayo refractado están en el mismo plano. La desviación del rayo sigue la ley de Snell: 1 1 = 2  2 ………(1) 

Donde n1  y n2  son los índices de refracción del primer y segundo medio y   1  y   2 los ángulos que forman los rayos dentro de cada medio con la normal a la superficie de separación. El índice de refracción es una magnitud adimensional siempre mayor que uno (el índice del vacío). Para el aire podemos usar también el valor 1.

Fig. 1: Refracció Refracció n entre dos medios  

El ángulo crítico es aquel ángulo incidente para el cual el rayo refractado emerge tangente a la superficie de separación entre los dos medios. Si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico, el seno del ángulo de refracción resultaría mayor que la unidad, lo cual es imposible. Esto indica que, las ondas que inciden con un ángulo mayor que el límite no pasan al segundo medio, sino que son reflejados totalmente en la superficie de separación. En la figura 2, observamos que a medida que se incrementa el ángulo de incidencia, el ángulo de refracción aumenta hasta que se hace igual a 90°. Si se vuelve a incrementar el el ángulo incidencia, la onda incidente se refleja en primerdemedio.   Fig. 2: Ángulo crítico 1

 

 

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En la siguiente tabla, se proporcionan datos acerca de los índices de refracción de diversas sustancias Sustancia  Sustancia  Azúcar Diamante Mica Benceno Glicerina Agua Alcohol etílico Aceite de oliva

Índice de refracción  refracción   1,56 2,417 1,56-1,60 1,504 1,47 1,333 1,362 1,46

3. PALABRAS CLAVE Óptica, óptica geométrica, ondas, onda plana, ángulo de incidencia, reflexión de la luz, refracción de la luz, reflexión total, ley de Snell, índice de refracción, ángulo crítico. 4. ACTIVIDAD VIRTUAL: En el siguiente enlace de PHET Interactive Simulations (University of Colorado Boulder) realizaremos la actividad virtual propuesta: https://phet.colorado.edu/sims/html/bendin https://phet.colorado.edu/sims /html/bending-light/latest/b g-light/latest/bending ending-light_es_PE.html -light_es_PE.html  

En esta aplicación observamos la refracción de un rayo cuando pasa de un medio a otro. Se puede variar la naturaleza de los materiales entre los cuales se produce la refracción y se cuenta con los instrumentos de medición como un transportador y un medidor de intensidad de la luz (en porcentaje). Los controles de los parámetros para esta aplicación son:  La visualización de la opción Rayo Rayo / / Onda Onda haciendo  haciendo check en la opción respectiva.  El puntero de luz laser con su interruptor  El material del medio 1 (en la parte superior) en el control desplegable Material Material con  con las opciones: Aire, Agua, Vidrio, Misterio A, Misterio B y Personalizado. Cuando se utiliza el control deslizable se activa la opción Personalizado con el cual se pueden variar diferentes índices de refracción.  El material del medio 2 (en la parte superior) en el control desplegable Material Material con  con las opciones: Aire, Agua, Vidrio, Misterio A, Misterio B y Personalizado. Cuando se utiliza el control deslizable se activa la opción Personalizado semejante al anterior con el cual se pueden variar diferentes índices de refracción.

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  Las herramient herramientas as transpor transportador tador (en gr grados ados sexagesimales sexagesimales)) y un medidor de intensidad (en porcentaje).  La opción de una línea Normal Normal (línea  (línea punteada vertical) en el punto de incidencia del rayo para poder medir el ángulo tanto de incidencia como el ángulo del rayo refractado que está activada por defecto.   El botón de reinicio de la actividad con el cual se borra toda la información y empezar uno nuevo •

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 Actiti vi dad  Ac •

 Mantener check en la opción Rayo Rayo (está  (está por defecto).  En la selección del Material 1 en la parte superior, mantener la selección Aire (está por defecto) con su índice de refracción respectivo n = 1,00.  En la selección del Material 2 en la parte inferior, mantener la selección Agua (está por defecto) con su índice de refracción respectivo n = 1,33.  Hacer click sobre el transportador y ubicarlo en el panel principal de tal manera que su centro coincida con el punto de incidencia del rayo y la línea Normal.  Hacer click en el botón para encender el rayo de luz laser en el puntero. Se mostrará una línea roja que sale del puntero y atraviesa la interfaz entre los medios.  Medir el ángulo del rayo de incidencia (haz del rayo con la Normal). Este será el valor del ángulo ϴ1    Medir el ángulo del rayo refractado (haz del rayo refractado con la Normal). Este será el valor del ángulo ϴ2   Hacer click en la herramienta para medir la intensidad del rayo (en porcentaje) y sin soltar arrastrarlo hacia el panel principal. Ahora hacer lo mismo sólo con el medidor (parecido a una lupa) y colocarlo en la trayectoria del rayo incidente. Se mostrará el porcentaje en el medidor.

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 Hacer lo mismo para medirmedir la intensidad del rayo Se mostrará en el medidor.  Asimismo, de ser posible la intensidad del refractado. rayo reflejado (se formaelalporcentaje reflejarse sobre la línea interfaz entre los medios).  Anotar los datos y valores obtenidos en la tabla1.

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Tabla 1: Datos 1:  Datos de la refracción

Medio 1

Medio 2

ϴ1 

1

Aire

Agua

2

Aire

Vidrio

3

Aire

1,47 (personalizado)  

% Incidente

ϴ2 

% % Refractado Reflejado

 Completar la tabla para los medios indicados (el último corresponde a la glicerina) y anotar los ángulos

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y la intensidad de los rayos (en porcentaje). 5. PROCESAMIENTO DE DATOS: Con los datos de la tabla 1 realizar los cálculos para determinar los índices de refracción n2, a partir de los índices de refracción n1 (aire) y los ángulos de incidencia y de refracción obtenidos con la ecuación: 2 = 1

 1 2

 

Anotar los cálculos en la tabla 2 para cada caso (utilizar 4 decimales) Tabla 2: 2: Índice de refracción del medio 2 Medio 1

n2 

Medio 2

1

Aire

Agua

2

Aire

Vidrio

3

Aire

Glicerina

3

 

 

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6. RESULTADOS:  Compara los resultados de la tabla 2 con los valores establecidos del agua, vidrio y glicerina. Anota la diferencia entre estos valores en la tabla 3 (utilizar 4 decimales)  decimales) 

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Tabla 3: Comparación de los valores de los índices de refracción

n2 ( (valores valores establecido establecidos) s) 1

Agua: 1,33

2

Vidrio: 1,50

3

Glicerina: 1,47

n2 (de la tabla 2)

Diferencia ∆n 

7. CUESTIONARIO: 7.1. Según la ley de la refracción ¿Qué pasa con el rayo cuando incide del aire hacia el agua? ¿y si el rayo procede del agua y sale hacia el aire? Justifique su respuesta. 7.2. ¿Los valores establecidos para los materiales coinciden con los calculados con la fórmula de la ley de Snell? Explique brevemente 7.3. ¿Qué se entiende por ángulo crítico? Explique brevemente y dé algún ejemplo. 8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:   o  o  o  o  o

Raymond A. Serway; FísicaTomo II; Editorial McGraw –Hill. Tipler Mosca; Física para la ciencia y la tecnología Vol. I ; Editorial Reverte. Miguel Ángel Hidalgo Moreno; Laboratorio de Física; Editorial PEARSON EDUCACIÓN. Sears  –Zemansky; Física universitaria; 12ª. Edición; Vol. 2; Editorial ADDISON-WESLEY https://phet.colorado.edu/sims/html/bending-light/latest/bending-light_es_PE.html

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