Informe de Ondas y Calor

ONDAS Y CALOR Nro. PFR

Tema :LABORATORIO N°8

Reflexión – Refracción de la luz, lentes y espejos

Código : PG1014Semestre: 1Grupo : CNº Lab : 08

Integrantes

Apellidos y Nombres Nota

JOSUE HILCIAS ESPINOZA QUEHUE

GONZALO JESUS LOPEZ SANCHEZ

QUILCA ANAHUI BRANDON PAUL

JOSUE VENTURA CUARICONA

Profesor: FREDDY HUAMAN MAMANI

Programa Profesional

ELECTROTECNIA INDUSTRIAL

Grupo: C4 - “C”

Fecha de entrega 24 06 15 Mesa de Trabajo: 01

CURSO: ONDAS Y CALOR

CODIGO: PG1014

INFORME N° 8

“Reflexión – Refracción de la luz, lentes y espejos”





INTRODUCCIÓN

La rama de la física que se ocupa de la propagación y el comportamiento de la luz. En un sentido amplio, la luz es la zona del espectro de radiación electromagnética que se extiende desde los rayos X hasta las microondas, e incluye la energía radiante que produce la sensación de visión. El estudio de la óptica se divide en dos ramas, la óptica geométrica y la óptica física.

En este laboratorio veremos algunos de los fenómenos estudiados en óptica, la incidencia de la luz y la determinación de la naturaleza de esta.

Los puntos a estudiar son los fenómenos de Reflexión y refracción, siendo el primero nada más que los rayos de luz reflejados en una superficie. Estos rayos se denominan incidentes y los que salen de la superficie, reflejados.

La refracción también conocida como Ley de Snell, la que postula lo siguiente: un rayo luminoso viajando por un medio, encuentra a su paso otro medio con características ópticas diferentes, penetra en él experimentando el fenómeno de la refracción.

Veremos en este laboratorio como se presenta la reflexión y la refracción en diferentes materiales y condiciones, analizaremos comportamientos y trataremos de descubrir leyes que rijan el comportamiento de la luz sobre distintos materiales y medios.

El desarrollo del laboratorio viene dado como un elemento de aprendizaje y comunicación, con un desarrollo sistemático, donde realizaremos descripciones de experimentos, datos obtenidos, gráficos y análisis de resultados.

OBJETIVOS





Estudiar las imágenes formadas en un espejo plano Deducir las leyes de la reflexión y refracción de la luz Comprobar experimentalmente la distancia focal de diversas lentes Ser capaz de configurar e implementar equipos para toma de datos

experimentales

FUNDAMENTO TEÓRICO

La velocidad de una onda electromagnética es el producto de su frecuencia y su longitud de onda. En el vacío, la velocidad es la misma para todas las longitudes de onda. La velocidad de la luz en las sustancias materiales es menor que en el vacío, y varía para las distintas longitudes de onda; este efecto se denomina dispersión. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de una longitud de onda determinada en una sustancia se conoce como índice de refracción de la sustancia para dicha longitud de onda. El índice de refracción del aire es 1,00029 y apenas varía con la longitud de onda. En la mayoría de las aplicaciones resulta suficientemente preciso considerar que es igual a 1.

Las leyes de reflexión y refracción de la luz suelen deducirse empleando la teoría ondulatoria de la luz introducida en el siglo XVII por el matemático, astrónomo y físico holandés Christiaan Huygens. El principio de Huygens afirma que todo punto de un frente de onda inicial puede considerarse como una fuente de ondas esféricas secundarias que se extienden en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda que el frente de onda del que proceden. Con ello puede definirse un nuevo frente de onda que envuelve las ondas secundarias. Como la luz avanza en ángulo recto a este frente de onda, el principio de Huygens puede emplearse para deducir los cambios de dirección de la luz.

Cuando las ondas secundarias llegan a otro medio u objeto, cada punto del límite entre los medios se convierte en una fuente de dos conjuntos de ondas. El conjunto reflejado vuelve al primer medio, y el conjunto refractado entra en el segundo medio. El comportamiento de los rayos reflejados y refractados puede explicarse por el principio de Huygens. Es más sencillo, y a veces suficiente, representar la propagación de la luz mediante rayos en vez de ondas. El rayo es la línea de avance, o dirección de propagación, de la energía radiante y, por tanto, perpendicular al frente de onda. En la óptica geométrica se prescinde de la teoría ondulatoria de la luz y se supone que la luz no se difracta. La trayectoria de los rayos a través de un sistema óptico se determina aplicando las leyes de reflexión y refracción.

1. REFLEXIÓN





Si un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo incide sobre la superficie de un segundo medio homogéneo, parte de la luz es reflejada y parte entra como rayo refractado en el segundo medio, donde puede o no ser absorbido. La cantidad de luz reflejada depende de la relación entre los índices de refracción de ambos medios. En la figura 1 vemos un plano de incidencia que se define como el plano formado por el rayo incidente y la normal (es decir, la línea perpendicular a la superficie del medio) en el punto de incidencia. El ángulo de incidencia es el ángulo entre el rayo incidente y la normal. Los ángulos de reflexión y refracción se definen de modo análogo.

Las leyes de la reflexión afirman que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión, y que el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal en el punto de incidencia se encuentran en un mismo plano. Si la superficie del segundo medio es lisa, puede actuar como un espejo y producir una imagen reflejada como se observa en la figura 2. En esta misma figura, la fuente de luz es el objeto A; un punto de A emite rayos en todas las direcciones. Los dos rayos que inciden sobre el espejo en B y C, por ejemplo, se reflejan como rayos BD y CE. Para un observador situado delante del espejo, esos rayos parecen venir del punto F que está detrás del espejo. De las leyes de reflexión se deduce que CF y BF forman el mismo ángulo con la superficie del espejo que AC y AB. En este caso, en el que el espejo es plano, la imagen del objeto parece situada detrás del espejo y separada de él por la misma distancia que hay entre éste y el objeto que está delante.

Si la superficie del segundo medio es rugosa, las normales a los distintos puntos de la superficie se encuentran en direcciones aleatorias. En ese caso, los rayos que se encuentren en el mismo plano al salir de una fuente puntual de luz tendrán un plano de incidencia, y por tanto de reflexión, aleatorio. Esto hace que se dispersen y no puedan formar una imagen.

2. LEY DE SNELL

Afirma que el producto del índice de refracción del primer medio y el seno del ángulo de incidencia de un rayo es igual al producto del índice de refracción del segundo medio y el seno del ángulo de refracción. El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie de separación de los medios en el punto





de incidencia están en un mismo plano. En general, el índice de refracción de una sustancia transparente más densa es mayor que el de un material menos denso, es decir, la velocidad de la luz es menor en la sustancia de mayor densidad. Por tanto, si un rayo incide de forma oblicua sobre un medio con un índice de refracción mayor, se desviará hacia la normal, mientras que si incide sobre un medio con un índice de refracción menor, se desviará alejándose de ella. Los rayos que inciden en la dirección de la normal son reflejados y refractados en esa misma dirección. El índice de refracción de un material indica cuánto se refracta la luz cuando pasa del vacío a este material. Cuanto mayor sea el índice de refracción de un material, más despacio viaja la luz a través del mismo. El vidrio, por ejemplo, tiene un índice de refracción de alrededor de 1,5, y el agua de aproximadamente 1,3. Esto indica que la luz viaja más lentamente en el vidrio que en el agua.

El índice de refracción es una constante física del medio, pero depende de la longitud de onda de la luz. El índice de refracción determina los ángulos a los que los rayos de luz se refractan al entrar y salir del medio. También gobierna cuánta luz se refleja en la superficie del medio.

En la figura 3 se muestra la trayectoria de un rayo de luz que atraviesa varios medios con superficies de separación paralelas. El índice de refracción del agua es más bajo que el del vidrio. Como el índice de refracción del primer y el último medio es el mismo, el rayo emerge en dirección paralela al rayo incidente AB, pero resulta desplazado.

3. ÁNGULO CRÍTICO

Puesto que los rayos se alejan de la normal cuando entran en un medio menos denso, y la desviación de la normal aumenta a medida que aumenta el ángulo de incidencia, hay un determinado ángulo de incidencia, denominado ángulo crítico, para el que el rayo refractado forma un ángulo de 90º con la normal, por





lo que avanza justo a lo largo de la superficie de separación entre ambos medios. Si el ángulo de incidencia se hace mayor que el ángulo crítico, los rayos de luz serán totalmente reflejados. La reflexión total no puede producirse cuando la luz pasa de un medio menos denso a otro más denso. Las tres ilustraciones siguientes muestran la refracción ordinaria, la refracción en el ángulo crítico y la reflexión total.

El eje óptico es una línea de referencia que constituye un eje de simetría, y pasa por el centro de una lente o espejo esféricos y por su centro de curvatura. Si un haz de rayos estrecho que se propaga en la dirección del eje óptico incide sobre la superficie esférica de un espejo o una lente delgada, los rayos se reflejan o refractan de forma que se cortan, o parecen cortarse, en un punto situado sobre el eje óptico. La distancia entre ese punto (llamado foco) y el espejo o lente se denomina distancia focal. Cuando una lente es gruesa, los cálculos se realizan refiriéndolos a unos planos denominados planos principales, y no a la superficie real de la lente. Si las dos superficies de una lente no son iguales, ésta puede tener dos distancias focales, según cuál sea la superficie sobre la que incide la luz. Cuando un objeto está situado en el foco, los rayos que salen de él serán paralelos al eje óptico después de ser reflejados o refractados. Si una lente o espejo hace converger los rayos de forma que se corten delante de dicha lente o espejo, la imagen será real e invertida. Si los rayos divergen después de la reflexión o refracción de modo que parecen venir de un punto por el que no han pasado realmente, la imagen no está invertida y se denomina imagen virtual. La relación entre la altura de la imagen y la altura del objeto se denomina aumento lateral.

Si se consideran positivas las distancias medidas desde una lente o espejo en el sentido en que se desplaza la luz, y negativas las medidas en sentido opuesto, entonces, siendo u la distancia del objeto, v la distancia de la imagen y f la distancia focal de un espejo o una lente delgada, los espejos esféricos cumplen la ecuación





1/v + 1/u = 1/f

y las lentes esféricas la ecuación

1/v - 1/u = 1/f

Si una lente simple tiene superficies de radios r1 y r2 y la relación entre su índice de refracción y el del medio que la rodea es n, se cumple que

1/f = (n - 1) (1/r1 - 1/r2)

La distancia focal de un espejo esférico es igual a la mitad de su radio de curvatura. Como se indica en la figura , los rayos que se desplazan en un haz estrecho en la dirección del eje óptico e inciden sobre un espejo cóncavo cuyo centro de curvatura está situado en C, se reflejan de modo que se cortan en B, a media distancia entre A y C. Si la distancia del objeto es mayor que la distancia AC, la imagen es real, reducida e invertida. Si el objeto se encuentra entre el centro de curvatura y el foco, la imagen es real, aumentada e invertida. Si el objeto está situado entre la superficie del espejo y su foco, la imagen es virtual, aumentada y no invertida. Un espejo convexo sólo forma imágenes virtuales, reducidas y no invertidas, a no ser que se utilice junto con otros componentes ópticos.

MATERIALES





ANALISIS DE TRABAJO SEGURO

PROCEDIMIENTO

I. Reflexión de la Luz usando un espejo





1. Colocamos el espejo encima de la regla de ángulos para hallar el error del láser reflejado comenzando con 10 grados

2. Para 20°

3. Para 30°

4. Llegamos hasta los 80° y llenamos el cuadro de ángulo de incidencia y ángulo reflejado y hallamos el error

Tabla 4.1

θ Incidencia θ Reflejado Error ( % )10 10 0%

Angulo 10°

Angulo 20°

Angulo 30°





20 20 0%30 31 3,33%40 40 0%50 50 0%60 62 0,33%70 69 1,43%80 79 1,25%

Formula de error:

%=θi−θrθi

x100

II. Refracción de la luz usando una lente

Tabla 4.2 ( Aire – Lente )

θ Incidencia 10 20 30 40 50 60 70 80 Promedio

θ Reflejado 10 20 31 40 50 62 69 79 -

sinθi 0,17 0.34 0.5 0.64 0,76 0.86 0.93 0.98 -

sinθr 0,13 0.34 0.51 0.64 0.76 0.88 0.98 0.98 -

nAgua 1,30 1 0.98 1 1 0.97 0.94 1 1.023

%error n 2.3%

Tabla 4.3

θ Incidencia 10 20 30 40 50/48.59 Promedio

θ Reflejado 15 28 44 64 90 -





sinθi 0,17 0.34 0.5 0.64 0,74 -

sinθr 0,25 0.46 0.69 0.89 1 -

nAgua 0.68 0.73 0.72 0.71 0.74 0.716

%error n 28.4%

CUESTIONARIO

I. Con respecto al proceso de reflexión de la luz usando en un espejo plano responda:

1. Explique debido a que factores en nuestra experiencia el ángulo de incidencia es igual al Angulo de reflexión.

Este fenómeno es debido a que la reflexión se realiza en una superficie pulida es decir en un espejo completamente liso donde los ángulos de los rayos serán los mismos que los reflejados, aunque en la realidad experimental existe un error porcentual bajísimo debido al material del espejo

II. Con respecto al proceso de refracción de la luz usando una lente responde.

1. Con los datos de las tablas 4.2 y 4.3 construya la gráfica de ángulo de refracción en función del ángulo de incidencia, es decir, el ángulo θr =

θr(θi)

Se muestra en la gráfica que a relación es lineal a causa de que el ángulo de incidencia se asemeja al ángulo de reflexión.





El ángulo de incidencia de un medio mayor que el otro ha comparado con la refracción se diferencia en gran medida

Grafique en función del ángulo de incidencia.

Las dos graficas de las diferentes formas de hacer incidir la luz en un medio de mayor o menor índice determinan como varía el índice con respecto al ángulo de refracción lo que se muestra el valor de los errores en la medición de los ángulos.

2. Calcule el índice de refracción promedio para el lente y su respectivo error absoluto, para cada una de las tablas 4.2 y 4.3.





Tabla 4.2 (% ¿= 1.023−1.3331.333

x100% = 0.23 %

Tabla 4.3 (% ¿= 0.716−1.333

1.333x100% = 0.71 %

3. Cite 2 ejemplos de aplicación del fenómeno de reflexión total interna y 1 ejemplo de la aparición del fenómeno en la naturaleza.

Si se coloca una vela encendida delante de una lámina de vidrio se verá la imagen de una vela reflejada como en un espejo. Poniendo después una botella llena de agua en el mismo lugar que ocupa la imagen, la ilusión es tan perfecta, que la vela se mire encendida dentro del agua.

Las ondas de radio, la refracción es especialmente importante en la ionosfera, en la que se producen una serie continua de refracciones que permiten a las ondas de radio viajar de un punto del planeta a otro.

4. ¿A qué sustancias usadas o solamente conocidas en su especialidad podría Ud. Determinar su índice de refracción mediante esta experiencia?





Sulfato de cobre

Sulfato de plomo

Ácido sulfúrico

Materiales de electroquímica

III. Con respecto al proceso de lentes delgadas y espejos responde:

1. Determina teóricamente la distancia focal de cada lente ¿A qué atribuye el error?

Trazando un recta de pendiente con respecto a la fuente. El error estaría en medir erróneamente la recta pendiente, tomando de referencia un punto equivocado.

2. En los casos en los cuales se deja un espacio hueco para formar las lentes. ¿Es normal el comportamiento del rayo trasmitido? ¿Por qué?

Si es normal, ya que los rayos cambian su dirección al cambiar de medio como en este caso sería: lente, aire, lente. La imagen que se formara será proporcional a los medios que atraviesa

3. Determinar teóricamente la distancia focal de cada espejo. Analiza las fuentes de error de tu experiencia.

Principalmente el error estuvo que la precisión de la medida no fue la adecuada. También influyo el trazar la recta pendiente erróneamente.

IV. CON RESPECTO AL PROCESO DE REFLEXIÓN DE LA LUZ POR PRISMAS RESPONDE:

1. ¿A qué se debe este comportamiento de los haces de la luz?

Los haces de luz al incidir sobre el prisma se refracta y/o refleja por el ángulo límite de 90°

2. ¿Qué aplicación tecnológica pueden tener? Menciona 2.

Espectroscopia estelar Polarización





Espectro Atómico

PROBLEMAS

Como ingeniero de laser de alta potencia usted requieres enfocar un rayo láser de 1.06mm de diámetro en un punto cuyo diámetro es de 10.0 mm que esta 20.0cm de la lente. ¿Qué lente y de que longitud focal usaría?

Si

Entonces se trata de una lente divergente

Una persona con una distancia de punto cercano de 24.0 cm se da cuenta de que una lupa de una amplificación angular de 1.25 veces más grande cuando la imagen de la lupa está en el punto cercano que cuando la imagen está en el infinito. Cuál es la longitud focal de la lupa.

Si A=240 +

OBSERVACIONES





Los materiales que usamos en el laboratorio eran sumamente delicados así que todas las configuraciones que hicimos, las hicimos con total cuidado

La caja de rayos láser podía ser muy dañino al contacto con los ojos de cualquier integrante del grupo que ejecutaba los pasos.

El ambiente para la correcta realización de la experiencia debía de estar con una iluminación muy baja, para así facilitar el la visibilidad de los rayos laser.

CONCLUSIONES

Se concluye que estudiamos correctamente las imágenes formadas en un espejo plano.

Se concluye que pudimos deducir las leyes de la reflexión y refracción de la luz.

Se concluye que pudimos comprobar experimentalmente la distancia focal de diversas lentes.

Se concluye que pudimos configurar e implementar equipos para tomar datos experimentales

BIBLIOGRAFIA

Reflexión y Refracción; Recuperado el 23 de Junio del 2015 de

http://html.rincondelvago.com/reflexion-y-refraccion_2.html

Reflexión; Recuperado el 23 de Junio del 2015 de:

https://es.wikipedia.org/wiki/Reflexi%C3%B3n_(f%C3%ADsica)

Reflexión de la Luz; Recuperado el 23 de Junio del 2015 de:

http://definicion.de/reflexion-de-la-luz/

http://html.rincondelvago.com/reflexion-y-refraccion_2.html

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