Title: Refracción de la luz
Course: Física - 1º B.D. > Section: Refracción de la luz

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.

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.

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.

¿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.

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 (v_1).

La velocidad de la luz en el vacío es un valor constante c = 3,00 x 10^8 m/s (30.000.000 m/s), este valor no es superado por nada conocido. Es el mayor valor de velocidad que se puede determinar.

Por tanto si c (velocidad de la luz en el vacío) es mayor que cualquier otro valor, al dividirlo entre  v_1 (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.

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:

- 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.

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 ) habrás observado que el  sen es directamente proporcional al sen .

por lo tanto:

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:

y  n_21 el índice de refracción relativo del medio 2 con respecto al medio 1 se define como:

así, se deduce que:

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 n_1 = c/v_1 y que n_2 = c/v_2, se puede escribir n_1/n_2 en función de las velocidades de la luz en dichos medios ya que:

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

Leyes de la refracción de la luz

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

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:

- 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.

(°) | (°)
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

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:

¿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).

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.

¿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:

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.

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 n_1 > n_2, 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.

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

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:

Senderos de la luz

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.

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: $@COURSEVIEWBYID*218@$&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.

Portal Uruguay Educa.

Junio de 2018. Revisado en Marzo de 2020.