Refracción de la luz

Sitio:	Aulas \| Uruguay Educa
Curso:	Física - 1º B.D.
Libro:	Refracción de la luz
Imprimido por:	Invitado
Día:	viernes, 22 de noviembre de 2024, 01:39

Tabla de contenidos

1. La refracción y los modelos
2. Repaso de lo visto sobre refracción en 1er año de Ciclo Básico
3. ¿Por qué es importante la refracción de la luz?
4. Índice de refracción
5. Determinación de ángulos de incidencia y de refracción
6. Relación entre los ángulos de incidencia y refracción
7. Leyes de la refracción de la luz
8. Rayo de luz que se refracta desde un medio de mayor a uno de menor índice de refracción
9. Reflexión interna total
10. Créditos

1. La refracción y los modelos

En esta sección se estudia el fenómeno luminoso de la refracción de la luz desde el modelo corpuscular y desde la óptica geométrica que utiliza el modelo de rayos de luz.

En el módulo de modelos en la Física se planteó que la luz es una dualidad onda-partícula. Aquí se verá que el modelo de rayos es válido para explicar el fenómeno de la refracción de la luz.

Newton, defensor del modelo corpuscular, explica los fenómenos ópticos utilizando las ideas de la mecánica clásica, tales como atracciones, repulsiones, choques elásticos, etc.

$diagrama de refracción de la luz mostrando la partícula antes y después de refractrarse.$

La imagen muestra la trayectoria de una partícula antes y después de refractarse.

Newton explica la refracción pensando que las partículas de luz aumentan su velocidad al pasar a un medio más denso, por ejemplo si se viene propagando por el aire y pasa al agua, por ello el rayo se acercaría a la normal. Esto ocurriría según Newton, porque las partículas de luz sufrirían una fuerza de atracción ejercida por el medio más denso, así su velocidad se vería incrementada. Se verá que eso no es cierto, en esa época aún no se había logrado medir la velocidad de la luz en diferentes medios. El prestigio de Newton fue lo que hizo prevalecer este modelo.

2. Repaso de lo visto sobre refracción en 1er año de Ciclo Básico

Te sugiero que para repasar los conceptos sobre refracción de la luz vistos en Ciencias Físicas de1ero de Ciclo Básico ingreses al siguiente sitio.

Revisa todos los materiales del módulo y realiza las actividades que se proponen.

3. ¿Por qué es importante la refracción de la luz?

Luego de haber indagado en los recursos sobre refracción de la luz en el módulo de primer año de Ciclo Básico:

- Realiza un diagrama de la Refracción de la luz.

- Enuncia las leyes de la Refracción de la luz.

- Elabora una explicación sobre la importancia que presenta el fenómeno de refracción de la luz en la vida del ser humano.

- Busca tres situaciones cotidianas en las que se utiliza el fenómeno de la refracción de la luz.

4. Índice de refracción

Se define para los medios transparentes una propiedad intensiva característica, llamada índice de refracción y se nota con la letra n (minúscula).

Es una propiedad intensiva porque su valor no depende de la cantidad de materia y es característica porque con ella es posible identificar de qué sustancia se trata.
El valor del índice de refracción de una sustancia, se determina como el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en el medio deseado (v₁).

La velocidad de la luz en el vacío es un valor constante c = 3,00 x 10⁸m/s (30.000.000 m/s), este valor no es superado por nada conocido. Es el mayor valor de velocidad que se puede determinar.

$Ecuación de índice de refracción de la luz en un medio, n1 es igual a c dividido v1$

Por tanto si c (velocidad de la luz en el vacío) es mayor que cualquier otro valor, al dividirlo entre v₁ (velocidad de la luz en el medio 1) nos dará siempre un valor mayor que 1. Es por eso que el índice de refracción (n) de cualquier medio es un valor mayor que 1. El índice de refracción es un número sin unidades por simplificarse las unidades de velocidad en el numerador y el denominador del cociente.

Tabla de índices de refracción de la luz en diferentes medios


Medio material	Índice de refracción
Aire (1 atm y 20 °C)	1,0003
Agua	1,33
Alcohol etílico	1,36
Benceno	1,50
Ámbar	1,55
Vidrio (crown)	1,52
Vidrio (flint denso)	1,66
Diamante	2,42

Tabla de índices de refracción extraída de: Egaña, E; Berruti, M. y González, A. (2014). Interacciones 4. Campos y ondas. Uruguay: Contexto.

5. Determinación de ángulos de incidencia y de refracción

Usando el siguiente simulador tomarás registro de los ángulos de incidencia y de refracción.

Ingresa en la Introducción.
Coloca el medidor de ángulos como muestra la imagen:

$Imagen del simulador de refracción de la luz con el medidor de ángulos y los índices de refracción del medio 1 y 2$

Haz clic sobre el botón rojo del láser y registra el valor del ángulo de incidencia y refracción en la siguiente tabla:


Ángulo de incidencia, i (°)	Ángulo de Refracción, r (°)
45	32

Mueve el láser de modo de obtener un ángulo de incidencia diferente y registra nuevamente los valores en la tabla. Repite el procedimiento cuatro veces más de modo de obtener 6 valores de ángulos de incidencia y refracción.

Con los valores obtenidos grafica ángulo de incidencia en función del ángulo de refracción, utilizando una planilla de cálculo. Elabora una conclusión a partir de lo que observas en el gráfico.
Calcula el seno del ángulo de incidencia y refracción para cada caso completando la tabla:


i (°)	r (°)	sen i	sen r
45	32	0,71	0,53

Utilizando una planilla de cálculo, construye el gráfico sen i en función del sen r. Elabora una conclusión a partir de lo que observas en el gráfico.
Determina la pendiente de la gráfica de sen i = f (sen r). Compara dicho valor con el índice de refracción de la luz en el agua.
Repite el experimento utilizando otro medio, por ejemplo vidrio.

6. Relación entre los ángulos de incidencia y refracción

Luego de haber realizado el experimento con el simulador y de haber hecho el gráfico sen = f (sen $símbolo de ángulo de refracción$ ) habrás observado que el senes directamente proporcional al sen $símbolo de ángulo de refracción$ .

$seno del ángulo de incidencia es directamente proporcional al seno del ángulo de refracción$

por lo tanto:

$seno del ángulo de incidencia dividido el seno del ángulo de refracción es igual a una constante$

el valor de la constante cambia según las características de los medios, es el índice de refracción de la luz relativo entre los medios del experimento:

$seno del ángulo de incidencia dividido el seno del ángulo de refracción es igual n21$

y n₂₁ el índice de refracción relativo del medio 2 con respecto al medio 1 se define como:

$n21 es igual al cociente entre n2 y n1, los índices de refracción absolutos de los medios 2 y 1 respectivamente$

así, se deduce que:

$seno del ángulo de incidencia dividido el seno del ángulo de refracción es igual al cociente entre el índice de refracción de la luz en el medio dos y el índice de refracción de la luz en el medio 1$

Esta es la expresión de la segunda ley de refracción de la luz o Ley de Snell, en la que se expresa la relación matemática entre los ángulos de incidencia y refracción y los índices de refracción de la luz en los medios en los que se estudia.

Recordando que n₁ = c/v₁ y que n₂ = c/v₂, se puede escribir n₁/n₂ en función de las velocidades de la luz en dichos medios ya que:

deducción de n2/n1 igual a v1/v2

Por lo tanto la Ley de Snell, es decir la relación matemática entre los ángulos de incidencia y refracción también se puede expresar como:

$seno del ángulo de incidencia dividido el seno del ángulo de refracción es igual a la velocidad de la luz en el medio 1 dividido la velocidad de la luz en el medio 2$

7. Leyes de la refracción de la luz

Con el diagrama de refracción de la luz podrás entender las leyes de la refracción:

$Diagrama de la refracción de la luz, donde se muestran los rayos incidente y refractado y los ángulos de incidencia y refracción.$ $Enunciado de las leyes de refracción. La primera, el rayo incidente, la normal en el punto de incidencia y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano. La segunda es la Ley de Snell, el cociente de entre los senos de los ángulos de incidencia y refracción es igual al cociente entre el índice de refracción de la luz del medio dos dividido el índice de refracción de la luz en el medio 1.$

8. Rayo de luz que se refracta desde un medio de mayor a uno de menor índice de refracción

Lee primero toda la tarea y luego usando el simulador Reflexión y refracción de la luz de PhET que aparece al final realiza el siguiente experimento:

Selecciona como medio 1 (medio en el que se encuentra el rayo incidente) agua y como medio 2 (medio en el que se encontrará el rayo refractado) aire.
Coloca el medidor de ángulos.
Haz clic sobre el botón rojo del láser.
Elige un ángulo de incidencia de 30°, registra el ángulo de refracción en la tabla. Como muestra la captura de pantalla:

captura de pantalla del simulador con las condiciones solicitadas más arriba

Observa que parte del rayo incidente se refleja en la superficie de separación de los medios.
Ve cambiando los ángulos de incidencia según indica la tabla y registrando los ángulos de refracción. Observa cómo cambia la intensidad del rayo reflejado y refractado a medida que aumenta el ángulo de incidencia.


(°)	$símbolo de ángulo de refracción$ (°)
30	40
40
45
49
50
55
60

Escribe una conclusión acerca de lo que has observado.
Cambia el medio 1 por vidrio y repite el experimento. Registra tus observaciones.

El simulador:

https://phet.colorado.edu/sims/html/bending-light/latest/bending-light_es.html

9. Reflexión interna total

La reflexión interna total es un fenómeno luminoso que sucede cuando la luz que se propaga desde un medio de mayor índice de refracción incide sobre un medio de menor índice de refracción y no logra pasar a dicho medio. Observa la foto y sus aclaraciones:

Foto de una pecera en la que se observa una estrella de mar bajo el agua y su imagen reflejada en la superficie del agua.

9.1. ¿Siempre puede ocurrir la Reflexión interna total?

En esquema que sigue se muestra un foco de luz debajo del agua, se representaron algunos rayos de luz que inciden con diferentes ángulos sobre la superficie del agua (se representaron los rayos con distintos colores para que quedaran más claras las trayectorias de cada rayo).

$Diagrama de refracción de la luz donde la luz pasa de un medio de mayor a menor índice de refracción.$

La reflexión interna total sólo sucede si la luz incide desde un medio de mayor a uno de menor índice de refracción con un ángulo mayor al ángulo de incidencia límite.

9.2. ¿Cómo se determina el ángulo de incidencia límite?

El ángulo de incidencia límite o crítico se puede determinar de la siguientes formas:

Una forma aproximada que es la experimental, hacer incidir un rayo de luz desde el medio de mayor índice de refracción, luego ir aumentando el ángulo de incidencia hasta observar que sólo se ve el incidente (para ese caso tenemos el ) y para un ángulo un poquito más grande sólo se ven el incidente y el reflejado.
La segunda forma es usando, por ejemplo, el simulador y hacer lo mismo que experimentalmente.
Por último se puede determinar utilizando la Ley de Snell, teniendo en cuenta que para el ángulo de incidencia límite, el ángulo de refracción es de 90°, por lo tanto:

$esquema que incide con su ángulo límite, el rayo refractado queda en el límite entre los dos medios.$

$ángulo de incidencia límite es igual al arcoseno del cociente entre el índice de refracción de la luz en el medio 2 sobre el del medio 1$

9.3. Condiciones para la reflexión interna total

La luz se debe propagar por un medio en el que la luz tenga un índice de refracción mayor que en el medio al cual se refractaría.
Además el ángulo con el que incide debe ser mayor que el ángulo de incidencia límite.

$índice de refracción de la luz en el medio 1 debe ser mayor que el índice de refracción de la luz en el medio 2 y el ángulo de incidencia debe ser mayor que el ángulo de incidencia límite.$

9.4. Los espejismos

Los espejismos se forman por el fenómeno de la reflexión total interna. En un día caluroso la luz que se viene propagando por la atmósfera, va pasando por sus distintas capas a diferentes temperaturas. Al acercarse a la superficie la temperatura es mayor, por lo que el índice de refracción de la luz va disminuyendo. Por lo que se da la condición que n₁ > n₂, por lo tanto para determinados observadores en la superficie verán el fenómeno por el cual ven reflejado sobre la superficie el cielo o algún objeto cercano.

fenómeno de la reflexión total interna

Imagen: Espejismo. Autor: Josell7. Licencia: CC BY-SA 4.0

9.5. Senderos de la luz: fibra óptica

¿Qué es la fibra óptica? ¿Para qué sirve?

El siguiente video te explica el fenómeno de la refracción de la luz, qué es la reflexión interna total y te muestra la importancia de la fibra óptica en la vida actual. Ingresa al mismo, míralo con atención y responde las preguntas del inicio:

Créditos del video: Auyuanet, A.; Douat, B.; Leal, A. et al. (2012). Senderos de la luz - Versión TV. Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=Ieo1AF17auE. Licencia Estándar de YouTube.

10. Créditos

Bibliografía

Alvarenga, B., Máximo, A. (1997). Física general. México: Oxford University.
Egaña, E., Berruti, M. y González, A. (2014). Interacciones 4. Campos y ondas. Uruguay: Contexto.

Imágenes, sitios y videos

Módulo de aprendizaje: Refracción de la Luz de 1er año de Ciclo Básico. Autores: Gatto, Pedreira, S. y otros. Portal Uruguay Educa. Recuperado de: http://aulas.uruguayeduca.edu.uy/course/view.php?id=218&section=6. Licencia: CC BY-SA 4.0.
Rounfar, A. Reid, S. Podolefsky, N. et al. Reflexión y Refracción de la Luz. PhET, Interactive simulations. Universidad de Colorado Boulder. Licencia: CC BY-SA 4.0.
Pedreira, S. (2012). Foto de una estrella de mar con reflexión total interna. Licencia: CC BY-SA 4.0.
Auyuanet, A.; Douat, B.; Leal, A. et al. (2012). Senderos de la luz - Versión TV. Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=Ieo1AF17auE. Licencia Estándar de YouTube.
Sale origami banners. Autor: Freepik. Licencia: CC BY 3.0.
Colorful banners infographic. Autor: Freepik. Licencia: CC BY 3.0.

Autoría del Módulo: Silvia Pedreira.
spedreira@uruguayeduca.edu.uy
Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons Atribución 4.0 Internacional.

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Junio de 2018. Revisado en Marzo de 2020.