Reflexión y refracción

Fuente: Derek Wilson, Asantha Cooray, PhD, Departamento de física & Astronomía, Facultad de ciencias física, Universidad de California, Irvine, CA

La luz viaja a diferentes velocidades dependiendo del material a través del cual está propagando. Cuando la luz viaja de un material a otro, reducir la velocidad o la velocidad. Con el fin de conservar energía e ímpetu, la luz debe cambiar la dirección en la que se propaga. Esta flexión de la luz se conoce como refracción. Una fracción de la luz se refleja también en la interfase entre dos materiales. En casos especiales, un rayo de luz puede ser refractado tan agudamente en una interfaz que realmente completamente se refleja en el medio de la cual iba a venir.

Lentes de hacen uso del principio de la refracción. Las lentes vienen en dos variedades con diversas curvaturas: lentes convexas y cóncavas lentes. Lentes convexas se utilizan a menudo a la luz de enfoque pero también pueden utilizarse para crear imágenes magnificadas de los objetos. Cuando una lente convexa hace que los rayos de luz procedentes de un objeto que divergen, los jueces del ojo humano la luz procedente de algún punto detrás del objeto real de la cual se origina la luz. La imagen del objeto en este caso se magnifica. Este tipo de imagen se llama una imagen virtual. Lentes cóncavas también pueden causar los rayos de luz divergen y crear imágenes virtuales, aunque la imagen se demagnified.

Este laboratorio demostrará la ley fundamental de la refracción y examinará las maneras en que las lentes crean imágenes.

Cuando la luz golpea la interfaz entre dos materiales, está doblado por un ángulo que depende de la composición de los dos materiales. En el límite, la velocidad a la que la luz propaga cambios, haciendo que su dirección de propagación para cambiar así. Cada medio tiene una característica "índice de refracción" que se define como el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el medio:

donde n es el índice de refracción sin dimensiones, c es la velocidad de la luz en el vacío en metros por segundo (m/s) y v es la velocidad de la luz en el medio en metros por segundo (m/s). La luz viaja más lentamente en un medio con un alto índice de refracción y más rápidamente en un medio con un bajo índice de refracción.

Para un determinado ángulo de incidencia, ө (ángulo en el cual la luz llega a la frontera entre los dos medios de comunicación), el ángulo en el que el haz de luz se refracta, ө_r, está dada por la ley de refracción, que es más conocida como ley de Snell:

donde ө y ө_r están en grados y n1 y n2 son el adimensional índices de refracción de los materiales iniciales y finales a través del cual viaja la luz. El ángulo de refracción especifica la dirección en la que la onda refractada luz viajarán en el segundo medio (ver figura 1). Una fracción de la luz incidente se refleja también en el primer medio en un ángulo igual al ángulo de la incidencia.

Un fenómeno interesante ocurre cuando la luz pasa de un material con un alto índice de refracción a uno con un índice inferior. Hay un ángulo de incidencia crítico en el que el ángulo de refracción será 90°. Si la luz golpea el límite en el ángulo crítico, la viga refractada viajará a lo largo de la frontera entre los medios de comunicación y algo de luz se verá reflejado en el material de alto índice de refracción (ver figura 2). Si la luz choca con el límite en un ángulo mayor que este ángulo crítico, se verá reflejado totalmente en el material de alto índice de refracción en un evento llamado reflexión interna total.

Figura 1: Un rayo de luz incidente en la frontera entre los dos resultados de los medios de comunicación en un rayo reflejado y un rayo de refracción.

Figura 2: Total de reflexión interna cuando n₂ > n₁. El blue ray es incidente en el ángulo crítico y resulta en un refracción ray viajando a lo largo de la interfaz y un rayo reflejado. El rayo rojo es incidente en un ángulo mayor que el ángulo crítico y conduce a un rayo totalmente internamente reflejado.

Lentes de toman ventaja de refracción para crear real y las imágenes virtuales de objetos. Una imagen real es una imagen formada por la convergencia de la física de los rayos de luz provenientes de un objeto. Una imagen virtual se forma cuando los rayos de luz parecen converger pero hacer converger no realmente físicamente. Nuestros ojos crear un punto de origen de los rayos divergentes, y este punto de origen es la fuente de las imágenes virtuales a pesar de que los rayos de luz no convergen en realidad en este momento. En la figura 3se muestran ejemplos de real y las imágenes virtuales formadas por una lente convexa. Las lentes tienen una longitud característica llamada la "distancia focal", que es la distancia de la lente en el que los rayos de la luz originaria infinitamente lejos se centrará después de pasar por la lente. Dada la distancia focal de una lente, la distancia entre el objeto y el objetivo determinará la ubicación de la imagen según la ecuación de lentes delgadas:

Donde f es la distancia focal de la lente en metros (m), o es la distancia entre la lente y el objeto en metros (m), y es la distancia entre la lente y la imagen en metros (m). Si se toma la distancia del objeto a ser una cantidad positiva, entonces, si la distancia de la imagen es positiva, la imagen será real y se encuentra en el lado de la lente opuesto al objeto. Si la distancia de la imagen es negativa, la imagen será virtual, ampliada y situada en el mismo lado de la lente como el objeto.

Figura 3: Una lente convexa de producción real y las imágenes virtuales. Forma de imágenes reales de la verdadera convergencia de los rayos de luz. Las imágenes virtuales se construyen nuestros ojos de los rayos de luz divergentes.

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.

1. Obtener un tanque especializado refracción con una fuente de luz.
2. 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.
3. 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.
4. Utilizar los ángulos medidos y el índice de refracción para el aire (n_aire = 1.00) para calcular el índice de refracción para el agua.
5. Repita los pasos anteriores para unos ángulos incidentes varían desde 0° hasta menores de 90°.
6. 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.
7. Si la fuente de luz más se gira, se debe observar que el rayo se refleja en el agua.
8. 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.
9. 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.

1. 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.
2. Coloque la lente convexa entre el objeto y el pedazo de papel, todo en una línea y a la misma altura.
3. Mover el objeto y papel hasta una imagen nítida del objeto aparece en el papel. La imagen en el papel es una imagen real.
4. 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.
5. 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.
6. Mirar a través de la lente: puede considerarse una versión magnificada del objeto. Esta imagen es una imagen virtual.
7. 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.

Ley de Snell indica el ángulo en que la luz se doblará al cruzar el límite entre dos medios. La medición incidente y ángulos de refracción en la interfase agua-aire se dan en la tabla 1. A continuación, un cálculo de muestra que el índice de refracción de agua usando la ley de Snell se muestra para un ángulo de incidencia igual a 30,1 ° como la luz pasa del agua al aire:

1.33

Puede repetir el cálculo para los diferentes ángulos en la tabla 1, y el promedio de las mediciones proporcionará una mejor medición del índice de refracción de cualquiera de las mediciones individuales proporcionará.

Tabla 1: resultados.

Interfaz de	Өi	Өr	nagua
Agua → aire	10.0	13.5	1.34
Agua → aire	19.8	26.6	1.32
Agua → aire	30.1	41.9	1.33
Agua de aire →	20.1	15.1	1.32
Agua de aire →	44.9	32.0	1.33
Agua de aire →	75.2	46.7	1.33

El ángulo crítico para reflexión interna total se produce cuando el ángulo de refracción es igual a 90°. Para la interfaz agua-aire, Ley de Snell predice que el ángulo crítico de incidencia es de 48,8 °.

Vale la pena tener en cuenta que la viga refractada podría todavía ser observada en un ángulo superior a 48,8 º mirando la interfaz en la que el haz de luz pasó de aire en el agua. Es sólo en el límite en que el rayo pasó del agua al aire que la viga se refleja internamente en ángulos mayores a 48,8 °. Reflexión interna total sólo puede ocurrir cuando la luz pasa de un medio con un alto índice de refracción a un medio con un índice de refracción menor.

Para la parte del objetivo del experimento, cuando el objeto fue colocado en el sobre o = 11,02 cm, el vino de la imagen en foco en unos 9,21 cm. La ecuación del lente delgado entonces revela la distancia focal de la lente convexa que unos 5,02 cm.

Este laboratorio estudia la física de la refracción y lentes. Ley de Snell se utilizó para medir el índice de refracción de agua usando medidas del incidente y ángulos refractados. También se observó el fenómeno de reflexión interna total en la interfase agua-aire. Fue demostrado que las lentes cóncavas pueden enfocar luz y también crear imágenes virtuales, lo que les permite servir como dispositivos de aumento.

El ojo humano ve, centrándose la luz en la retina, y mala visión puede resultar si la luz se enfoca delante o detrás de la retina. Lentes ayudan para corregir la visión deficiente por reorientar adecuadamente la luz en la retina. Las cámaras utilizan una lente para enfocar luz en un sensor del mismo modo que ojos enfocan luz en la retina. Lupas son lentes convexas simplemente que crean ampliadas, imágenes virtuales de objetos. Los microscopios ópticos utilizan lentes múltiples inmensamente ampliar objetos pequeños, como las células. Del mismo modo, es un tipo de telescopio llamado un refractor que utiliza lentes para captar la luz de estrellas, galaxias y otros objetos astrofísicos. Reflexión interna total se utiliza más a menudo en forma de fibras ópticas, que se utilizan para transmisión de datos y como Fibroscopios.