Reflexión y refracción
Fuente: Derek Wilson, Asantha Cooray, PhD, Departamento de física & Astronomía, Facultad de ciencias física, Universidad de California, Irvine, CA
La…
1. determinar el índice de refracción del agua usando la ley de Snell (Ley de la refracción) y encontrar el ángulo crítico para reflexión interna total.
- Obtener un tanque especializado refracción con una fuente de luz.
- Llene el tanque de refracción con el agua y encienda la fuente de luz. Dirigir el rayo desde la fuente de luz en la mitad del tanque llenada de agua. Puede ser necesario atenuar las luces de la habitación.
- Usar el transportador en el depósito de refracción para medir el ángulo de incidencia (el ángulo medido en la mitad del tanque llenada de agua) de la viga y el ángulo de refracción (ángulo medido en la mitad del tanque llenado de aire) para la interfaz aire agua en el tanque.
- Utilizar los ángulos medidos y el índice de refracción para el aire (naire = 1.00) para calcular el índice de refracción para el agua.
- Repita los pasos anteriores para unos ángulos incidentes varían desde 0° hasta menores de 90°.
- Medida que se aumenta el ángulo de incidencia, uno notará que ya no se aprecia el haz de luz refractado en la mitad del recipiente que contiene aire. Gire lentamente la fuente de luz sobre el tanque hasta que se alcanza el punto en el que el haz de luz desaparezca primero desde el aire. Este es el ángulo crítico para reflexión interna total.
- Si la fuente de luz más se gira, se debe observar que el rayo se refleja en el agua.
- Mover la fuente de luz para que el rayo entra en la mitad del tanque llenado con aire primero viajar antes en el agua. Grabar unos ángulos de incidencia y refracción bajo esta condición. Tenga en cuenta que, previamente, el ángulo de incidencia es el ángulo en que la luz viajaba a través del agua. Puesto que la luz está ahora pasando por el aire en primer lugar, que el nuevo ángulo de incidencia es el ángulo en el que viaja por el aire, y el nuevo ángulo de refracción es el ángulo en el que viaja a través del agua.
- Observar que la reflexión interna total no ocurre en esta configuración. Reflexión interna total se produce sólo cuando la luz pasa de un medio con un alto índice de refracción a un medio con un índice de refracción menor.
2. medir la distancia focal de una lente y crear imágenes virtuales de un objeto real.
- Obtener una lente convexa, una lente cóncava, una hoja de papel blanco, una regla y un objeto pequeño y distintivo. También ayuda a tener un banco óptico con soportes para las lentes y objeto, así como un aparato para mantener la hoja de papel en posición vertical.
- Coloque la lente convexa entre el objeto y el pedazo de papel, todo en una línea y a la misma altura.
- Mover el objeto y papel hasta una imagen nítida del objeto aparece en el papel. La imagen en el papel es una imagen real.
- Medir la distancia desde la lente al objeto y la distancia entre la lente y el papel. Utilice la ecuación del lente delgado para determinar la distancia focal de la lente.
- Coloca el papel a un lado y mover el objeto cercano a la lente hasta que la distancia entre la lente y el objeto es menor que la distancia focal de la lente.
- Mirar a través de la lente: puede considerarse una versión magnificada del objeto. Esta imagen es una imagen virtual.
- Reemplace las lentes convexas con la lente cóncava. Mirar a través de la lente cóncava: ahora una versión demagnified del objeto es visible. También es una imagen virtual.
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La luz se refleja y viaja a diferentes velocidades y direcciones, o se refracta, dependiendo del material a través del cual se propaga, causando muchos fenómenos ópticos interesantes.
Cuando un rayo de luz incide en la superficie de un bloque de vidrio, una parte del mismo cambia de dirección en la interfaz para volver al medio del que se originó: esto es reflexión. Y el resto de la luz cambia su dirección en la interfaz y viaja a través del bloque de vidrio para conservar energía e impulso; Esto es refracción.
Las lentes que se encuentran en los sistemas ópticos, como los microscopios, hacen uso de la reflexión y la refracción para crear imágenes que pueden ser percibidas por el ojo humano.
Aquí, primero discutiremos los principios y parámetros de reflexión y refracción. Luego demostraremos estos fenómenos en un sistema donde el aire y el agua son los dos medios. A continuación, estudiaremos las formas en que las lentes crean imágenes, seguidas de algunas aplicaciones en el campo de la óptica.
Para comprender los principios y parámetros de reflexión y refracción, elijamos dos medios: agua y aire.
El primer parámetro clave a tener en cuenta es el "índice de refracción", 'n', una característica del medio a través del cual viaja la luz. Se define como la relación entre la velocidad de la luz en el vacío, 'c', y la velocidad de la luz en el medio, 'v'. Como el n del aire es más bajo que el agua, la luz viaja más lentamente a través del agua en comparación con el aire.
Supongamos ahora que los dos medios, el agua y el aire, están en contacto entre sí a lo largo de una interfaz.
Ahora, cuando la luz viaja del agua al aire y golpea la interfaz, parte de ella se refleja en la interfaz, y el resto se refracta o dobla en un ángulo que depende de los índices de refracción de los dos medios. Tanto la reflexión como la refracción también dependen de otro parámetro: el ángulo de incidencia, o ?i.
Este es el ángulo entre la luz incidente y la normal a la interfaz aire-agua dentro del primer medio, el agua. El "ángulo de reflexión" se mide entre la luz reflejada y la misma normal dentro del primer medio, el agua, y es igual al ángulo de incidencia. Mientras que el 'ángulo de refracción', o ?r es el ángulo entre la luz refractada y la normal a la interfaz aire-agua en el segundo medio, el aire.
Por lo tanto, el ángulo de refracción depende del ángulo de incidencia y de los índices de refracción de los dos medios. La ley de refracción o Ley de Snell proporciona una relación entre todos estos parámetros.
Ahora, si el ángulo de incidencia se incrementa lentamente, en un punto la luz aparecerá a lo largo de la interfaz agua-aire, y el ángulo de refracción será igual a 90 grados. Este ángulo de incidencia se denomina "ángulo crítico". Tenga en cuenta que solo puede suceder si el índice de refracción del primer medio es mayor que el segundo.
Bajo esta misma condición, si el ángulo de incidencia se incrementa aún más, entonces el haz de luz se refracta tan bruscamente que en realidad se refleja completamente en el primer medio del que se originó la luz. A este fenómeno se le llama Reflexión Interna Total.
Una vez revisados los parámetros que afectan a la reflexión y la refracción, veamos cómo realizar un experimento en un laboratorio de física que valide estos principios. Reúna todos los materiales y equipos necesarios, incluido un tanque de refracción especializado con un haz de luz.
Llene la mitad del tanque de refracción con agua. Encienda el haz de luz y dirija el haz a la mitad del tanque lleno de agua.
Usando un transportador, mida el ángulo de incidencia del haz de luz o el ángulo medido en el agua entre el haz de luz y la interfaz normal a la interfaz aire-agua. Además, mida el ángulo de refracción o el ángulo medido en el aire entre el haz de luz y la normal a la interfaz aire-agua
Ahora, a medida que se aumenta el ángulo de incidencia, se alcanza un punto en el que aparece el haz de luz a lo largo de la interfaz aire-agua. Tome nota de este ángulo de incidencia, ya que es el ángulo crítico para la reflexión interna total.
A continuación, continúe aumentando el ángulo de incidencia girando la fuente de luz en sentido contrario a las agujas del reloj. El haz refractado ahora se refleja completamente en el agua, demostrando una reflexión interna total.
Posteriormente, mueva la fuente de luz para que el haz ingrese primero a la mitad del aire del tanque antes de viajar al agua. Repita el protocolo para la nueva trayectoria del haz de luz para varios ángulos de incidencia y registre el ángulo de refracción correspondiente.
Ahora hablemos de las lentes, que aprovechan la reflexión y la refracción de la luz para crear imágenes reales y virtuales de objetos. Todas las lentes, ya sean convexas o cóncavas, tienen una distancia focal 'f', que es la distancia de la lente a la que se enfocarán los rayos de luz que se originan desde una distancia infinita después de pasar a través de la lente. Para lentes convexas, f es positivo y para lentes cóncavas, f es negativo.
Cuando un objeto se coloca frente a una lente, crea una imagen. La 'Ecuación de la lente delgada', proporciona una relación matemática entre la distancia focal 'f', la distancia entre el objeto y la lente, 'o', y la distancia entre la lente y la imagen, 'i'.
Es esta distancia matemática de la imagen 'i' la que nos dice si una imagen formada por la lente es real o virtual. Si la 'i' calculada matemáticamente es positiva, entonces la imagen formada será real, y si es negativa, la imagen será virtual.
Para una lente convexa, cuando la distancia del objeto 'o' es mayor que la distancia focal 'f', la distancia de la imagen calculada matemáticamente 'i' será positiva y se formará una imagen real. Esto se debe a la convergencia física de los rayos de luz que provienen del objeto, como la imagen capturada por una cámara o un microscopio.
Sin embargo, cuando la distancia del objeto 'o' es menor que la distancia focal 'f', la distancia de la imagen calculada matemáticamente 'i' es negativa y se forma una imagen virtual. Esto se debe a que los rayos de luz parecen converger, pero en realidad divergen físicamente, y nuestros ojos construyen un punto de origen para ellos. Esto se observa en el caso de una lupa, donde se forma una imagen virtual ampliada.
En el caso de las lentes cóncavas, los rayos de luz que provienen del objeto atraviesan la lente y siempre divergen. Así, la 'i' calculada es siempre negativa y la imagen creada es siempre virtual.
En esta sección, validaremos la formación de imágenes reales y virtuales utilizando lentes convexas y cóncavas simples. Reúna los materiales necesarios, a saber, una lente convexa, una lente cóncava, una hoja de papel blanco, un pequeño objeto distintivo y una pinza para sujetar el papel verticalmente
Primero, coloque la lente convexa entre el objeto y la hoja de papel. Asegúrate de que todos estén en línea y a la misma altura.
Mueva el objeto y el papel hasta que aparezca una imagen nítida del objeto en el papel. Esta imagen que se ve en el papel es una imagen real, ya que se puede capturar en una pantalla.
Ahora mida la distancia de la lente al objeto y de la lente al papel. Utilice la ecuación de la lente delgada para determinar la distancia focal de la lente.
A continuación, coloque el papel a un lado y acerque el objeto a la lente hasta que la distancia entre la lente y el objeto sea menor que la distancia focal de la lente. Mire a través de la lente y observe la imagen.
Reemplace la lente convexa por una lente cóncava. Mire a través de la lente cóncava y observe la imagen virtual ampliada.
Ahora que hemos completado el protocolo experimental, vamos a repasar cómo analizar los datos obtenidos. En el primer experimento, medimos el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción en la interfaz agua-aire.
Utilizando la ley de Snell y sustituyendo los valores de estos ángulos en la ecuación, junto con el índice de refracción del aire, podemos calcular el índice de refracción del agua, que resulta ser 1,33.
Este cálculo se puede repetir para los distintos ángulos de incidencia y refracción. El promedio de todos los índices de refracción calculados proporcionará una medición más precisa del índice de refracción del agua.
También podemos calcular el ángulo crítico para la reflexión interna total usando la ley de Snell. Este es el ángulo de incidencia cuando el ángulo de refracción es igual a 90 grados. Reorganiza esta ecuación para resolver el ángulo crítico.
Utilizando el promedio previamente calculado para el índice de refracción del agua, la ley de Snell predice que el ángulo crítico de incidencia es de 48,8 grados. Esto es muy cercano al ángulo medido experimentalmente, verificando así la ley de Snell.
Cuando el haz de luz se proyecta desde el aire al agua, la reflexión interna total no se produce incluso en ángulos superiores a 48,8 grados, ya que la luz viaja ahora desde un medio de índice más bajo a uno más alto.
En el experimento con las lentes, la ecuación de la lente delgada revela que para una distancia del objeto de 11,02 centímetros de la lente y una distancia de imagen de aproximadamente 9,21 centímetros, la distancia focal de la lente es de aproximadamente 5,02 centímetros.
En el caso de que el objeto se observe a través de una lente convexa, a una distancia menor que su distancia focal, se observa una versión ampliada del objeto. Se trata de una imagen virtual, ya que esta imagen no se puede capturar en una pantalla. Del mismo modo, cuando se utiliza la lente cóncava, se observa una imagen virtual ampliada del objeto.
La óptica, específicamente las lentes ópticas, se utiliza en todos los ámbitos de la vida, desde la fotografía hasta las imágenes médicas y el ojo humano.
Las fibras ópticas se utilizan para la transmisión de datos en muchas aplicaciones actuales, como la transmisión de señales telefónicas. Estas fibras constan de un núcleo, un revestimiento y una capa exterior protectora o tampón, y otras capas de refuerzo.
El revestimiento guía los datos en forma de pulsos de luz a lo largo del núcleo utilizando el método de reflexión interna total. Esta propiedad de transmisión de datos permite que las cámaras de fibra óptica utilizadas por los médicos vean espacios confinados en el cuerpo humano.
La microscopía es el campo del uso de microscopios para ver objetos que no son visibles a simple vista. La microscopía óptica o óptica consiste en hacer pasar la luz visible, que se refracta a través de la muestra o se refleja en ella, a través de una o varias lentes para permitir una visión ampliada de la muestra. La imagen resultante puede ser detectada directamente por el ojo o capturada digitalmente.
Acabas de ver la introducción de JoVE a la reflexión y la refracción. Ahora deberías entender los principios de la refracción, la ley de Snell y la reflexión interna total, y también la teoría detrás de las lentes y cómo crean imágenes. Como siempre, ¡gracias por mirar!
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Q1: What is refractive index and how does it affect light propagation?
Refractive index (n) is a characteristic of a medium defined as the ratio of the speed of light in vacuum to the speed of light in that medium. Since air has a lower refractive index than water, light travels more slowly through water. This difference in refractive index between two media causes light to bend when transitioning between them, a phenomenon called refraction.
Q2: How does Snell's Law relate angle of incidence to angle of refraction?
Snell's Law provides a mathematical relationship between the angle of incidence, angle of refraction, and the refractive indices of two media. The angle of incidence is measured between the incident light and the normal to the interface in the first medium, while the angle of refraction is measured in the second medium. This law allows calculation of how light bends when traveling between materials with different refractive indices.
Q3: What is the critical angle and when does total internal reflection occur?
The critical angle is the specific angle of incidence at which the refracted light travels along the interface, making the angle of refraction equal to 90 degrees. This occurs only when light travels from a denser medium to a less dense one. When the angle of incidence exceeds the critical angle, total internal reflection occurs, and light is completely reflected back into the first medium instead of refracting.
Q4: What is the difference between real and virtual images formed by lenses?
Real images form when light rays physically converge after passing through a lens, and can be captured on a screen, as in cameras or microscopes. Virtual images form when light rays appear to diverge, and the eye constructs a point of origin behind the lens; they cannot be projected onto a screen. The Thin Lens Equation determines image type: positive calculated distance indicates a real image, while negative distance indicates a virtual image.
Q5: How do convex and concave lenses differ in image formation?
Convex lenses can form both real and virtual images depending on object distance relative to focal length. When object distance exceeds focal length, a real image forms; when less than focal length, a magnified virtual image forms. Concave lenses always cause light rays to diverge, producing only demagnified virtual images regardless of object position. Both lens types use refraction to bend light and create images.
Q6: How is total internal reflection used in optical fiber technology?
Optical fibers transmit data as light pulses through a core surrounded by cladding and protective coating. The cladding guides light along the core using total internal reflection, which keeps light signals contained within the fiber over long distances. This property enables fiber optic cameras used by doctors to view confined spaces in the human body and supports telecommunications applications like telephone signal transmission.
Q7: What role do reflection and refraction play in optical microscopy?
Optical microscopy uses visible light that is refracted through or reflected from a sample, then passes through single or multiple lenses to magnify the view. Refraction bends light to focus it on the sample, while reflection captures light from the sample surface. The combination of these optical phenomena through lenses allows visualization of objects too small for the naked eye, with images detected directly by the eye or captured digitally.