Práctica refracción de la luz

REFRACCIÓN DE LA LUZ
OBJETIVOS:
* Visualizar a través de una serie de experiencias empíricas el fenómeno de la refracción de la luz.
* Determinar el índice de refracción de diversos materiales mediante la cuantificación de las variables que intervienen en el fenómeno de refracción de la luz.
* Visualizar el fenómeno de “reflexión total interna” de la luz.
* Determinar el ángulocrítico para diversos líquidos.

INTRODUCCIÓN TEÓRICA.
Cuando un haz de luz que viaja a través de un medio (1), alcanza la frontera de éste, una parte del haz se refleja y otra parte penetra al otro medio (2). La parte del haz que entra al segundo medio se desvía de su dirección de incidencia al cruzar la frontera entre ambos medios, cuando esto sucede se dice que ha ocurrido el fenómeno de“refracción de la luz”. Los elementos que intervienen en este fenómeno se muestran esquemáticamente en la figura 1.

Figura1. Fenómeno de refracción de la luz. A= Haz incidente, B= Haz refractado, θ₁= ángulo de incidencia, θ₂= ángulo de refracción y θ’₁= ángulo de reflexión.
Con relación a la figura, el ángulo de refracción (θ₂) depende del ángulo con el cual incide el haz (θ₁) así como también delas propiedades de ambos medios.
Índice de Refracción. Cuando la luz viaja en el vacio alcanza su velocidad máxima de 3x10⁸ m/s (c), en cualquier otro medio su velocidad es menor. En estos términos definimos el índice de refracción (n) de cualquier medio como la razón entre las velocidades de la luz en el vacío (c) y su velocidad en ese medio (v), es decir:
n=cv ; como siempre c > ventonces n>1
Denominando con n₁ al índice de refracción del medio desde el cual la luz incide y con n₂ al índice de refracción del medio, hacia el cual la luz penetra, se cumple la relación:
n1sen q1= n2 sen q2
Ec. (1)
El descubrimiento de esta relación se atibuye a Willebrord Snell (1591 – 1627) y por esta razón se le conoce como “Ley de Snell” o también como la 2ª Ley de la Refracción. Estaley puede ser deducida a partir del principio de Huggens o de Fermat. Este último textualmente establece que “cuando un haz de luz vieja entre dos puntos P y Q, su trayectoria real será aquella que requiera el mínimo tiempo de transporte”. En este nivel es importante que el alumno consulte su libro de texto.
El fenómeno de refracción de la luz es una consecuencia directa del cambio en lavelocidad de ésta, al pasar de un medio a otro, así cuando la luz pasa de un medio a otro donde su rapidez es menor, el correspondiente ángulo de refracción (θ₂), es más pequeño que el ángulo de incidencia (θ₁), medidos ambos ángulos a partir de la línea normal (NN’), tal y como ocurre para el caso de aire y vidrio, el cual se ilustra en la siguiente figura.
Figura 2. Refracción de la luz, para (a)aire-vidrio y (b) vidrio-aire.
La velocidad de la luz adquiere su máximo valor en el vacio (3x10⁸ m/s) y su valor en el aire es aproximadamente el mismo; sin embargo cuando ésta viaja a través de un bloque de vidrio, su velocidad se reduce a 2x10⁸ m/s, sin embargo al emerger del bloque de vidrio, nuevamente adquiere su valor de 3x10⁸ m/s. La explicación de porqué la velocidad de la luz decrece alir del vacio a cualquier otro medio (o de un medio cualquiera a otro de mayor densidad) es una consecuencia del decrecimiento en la amplitud de oscilación de los campos electromagnéticos asociados a una onda luminosa, dentro del marco de la teoría ondulatoria de la luz.
Usando el fenómeno de refracción es factible caracterizar algunas de las propiedades ópticas de un material, haciendo incidirsobre él, un haz de luz y midiendo los correspondientes ángulos de refracción. El análisis de los datos de estas mediciones y su comparaci´n con la ec. (1), permite determinar el índice de refracción del material estudiado.
La figura 3 muestra esquemáticamente la trayectoria de una haz al atravesar un medio: el haz incide en el punto P y se acerca a la normal NN’ haciendo un ángulo θ₂<θ₁ ,...