PRÁCTICA Nº3 REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN

Transcripción

1 PRÁCTICA Nº3 REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN 1.- Equipamiento y montaje Componentes del equipo Los accesorios necesarios para la realización de la presente práctica se enumeran a continuación: 1. Caja de Almacenamiento de Componentes Ópticos: Espejo triangular, lenta convexa, lente cóncava, prisma trapezoidal acrílico y lente hueca. 2. Fuente de Luz y transformador de 12V. 3. Montura para Fuente de Luz 4. Banco Óptico. 5. Pantalla. 6. Mesa Óptica. 7. Tabla de Rayos. 8. Dos Lentes Convexas +100mm (Cada grupo tendrá sólo una lente). Además, los alumnos deberán traer para la adecuada ejecución de la práctica los siguientes accesorios: 9. Folios blancos. 10. Regla milimétrica. 11. Compás. 2.- Experimentos Experimento 1: Reflexión en un Espejo Cóncavo Cilíndrico Objetivo Estudiar cómo se reflejan los rayos de luz y determinar la distancia focal de un espejo cóncavo. Procedimiento Colocar una hoja de papel blanco sobre una mesa, y sobre ésta la caja de rayos con la cara serigrafiada hacia arriba. Deslizar la máscara hasta que salgan 4 rayos de luz blanca. Proyectar los cuatro rayos frontalmente sobre el espejo cóncavo cilíndrico. Ver la figura 1. 1

2 Fig. 1.-Cuatro rayos incidiendo sobre un espejo cóncavo. Dibujar la superficie del espejo y trazar las trayectorias de los rayos incidentes y refractados sobre el papel. Indicar cuáles son los rayos que entran y cuáles los que salen de la lente mediante flechas. Medir la distancia focal, tomándola desde el centro de la superficie del espejo hasta el foco. Anotar el resultado. Usar el compás para dibujar una circunferencia que coincida con la curvatura del espejo. Medir el radio de esta circunferencia usando una regla milimetrada y anotar el resultado en una tabla similar a la de la figura.2. Espejo Cóncavo Distancia Focal Radio de curvatura determinado con un compás Fig. 2.- Ejemplo de la tabla donde se recogerán los datos del experimento 1. Experimento 2: Refracción: Lentes Cóncavas y Convexas Objetivo Comparar la diferencia entre lentes cóncavas y convexas y determinar la distancia focal de una lente mediante medición directa. Procedimiento Colocar una hoja de papel blanco sobre una mesa, y sobre ésta la caja de rayos con la cara serigrafiada hacia arriba. Utilizar cinco rayos de luz blanca, proyectarlos frontalmente sobre la lente biconvexa. Ver la figura 3. Marcar la trayectoria de la lente y trazar las 2

3 trayectorias de los rayos incidentes y refractados sobre el papel. Indicar cuáles son los rayos que entran y cuáles los que salen de la lente mediante flechas. Fig. 3.- Cinco Rayos de luz blanca iluminando una lente biconvexa. Medir la distancia focal, tomándola desde el centro de la lente hasta el foco. Anotar el resultado en una tabla como la de la figura 5. Repetir este proceso para una lente bicóncava. Ver figura 4. Fig. 4.- Montaje con una lente cóncava. Lente Convexa Lente Cóncava Distancia Focal Fig. 5.-Tabla de resultados 3

4 Experimento 3: Ley de Snell y Reflexión Interna Total Objetivo Determinar cómo se reflejan los rayos de luz hasta la obtención de la reflexión interna total al alcanzar el ángulo crítico. Además éste podrá ser confirmado mediante la Ley de Snell. Procedimiento Desenchufar el cable de la caja de rayos y de la alimentación. Colocar la caja de rayos, con la cara donde se encuentran los colores y los cinco rayos mirando hacia el banco óptico (la cara serigrafiada deberá estar hacia arriba), en la montura de la fuente de luz de la siguiente manera: sostener la fuente con una mano y tirar hacia fuera las dos aletas de la montura, luego insertar las salientes de la fuente en los orificios de la montura. Colocar la montura sobre el banco óptico insertando la tuerca cuadrada en la rendija con sección en T del centro del banco óptico, el tornillo con cabezal plástico a través de la base de la montura, y roscar el tornillo en la tuerca. La montura se puede deslizar dentro del banco óptico siempre que el tornillo esté flojo. Ajustar el tornillo para fijar la fuente en la posición deseada. Insertar el plug de la fuente de alimentación en el jack de la fuente de luz. Enchufar la fuente de alimentación. Para elegir el número de rayos de luz blanca, en nuestro caso uno, deslizar la máscara plástica, que se encuentra en el frente de la fuente, hasta que salga un único rayo. Coger la base de la mesa de rayos. Cada pata de la mesa tiene un tornillo con unas tuercas cuadradas. Aflojar los tornillos sin soltar las tuercas. Cada tuerca cuadrada se ajusta en la ranura en forma de T del banco óptico. Colocar la mesa lo más cerca posible de la fuente de luz y apretar los tornillos. Colocar el disco metálico, con la escala milimétrica hacia arriba, sobre la mesa óptica. La parte superior de la mesa tiene un anillo de un material magnético que sujeta el disco. Hacer coincidir el agujero del disco con el de la mesa. Colocar el prisma trapezoidal de tal manera que el rayo pase a través de dos caras paralelas, tal como se muestra en la figura 6. 4

5 Fig. 6.-Rayo de luz blanca incidiendo sobre dos caras paralelas de un prisma. Medir los ángulos de incidencia y refracción así como el desplazamiento que experimenta el rayo de luz. Apuntarlos en una tabla similar a la de la figura 7. Ángulo de incidencia Ángulo de refracción Desplazamiento Fig. 7.- Tabla de datos Ahora, colocar el Prisma Trapezoidal tal como se muestra en la Figura 8. No iluminar muy cerca de su extremo agudizado. Fig. 8.- Rayo de luz iluminando un prisma. Girar el Prisma Trapezoidal hasta que el rayo refractado desaparezca. Justo antes de alcanzar el ángulo crítico es notable la descomposición de la luz blanca. Cuando el rayo rojo ha desaparecido habrá alcanzado la posición correcta. Tomar nota del ángulo crítico. Girar el prisma hasta que conseguir que incida un rayo de 45º. 5

6 Medir la variación que experimenta el rayo luminoso (δ) después de atravesar el prisma acrílico. Apuntar el dato. Experimento 4: Sistema de dos lentes Objetivo Utilización de un sistema de dos lentes. Procedimiento Colocar la caja de rayos sobre el banco óptico ayudada por la montura. Girar la fuente de luz sobre la montura hasta que la figura con la escala milimétrica quede mirando hacia el banco óptico. Colocar la pantalla sobre el banco óptico de la siguiente manera: aflojar el tornillo de la pantalla sin sacar la tuerca. Insertar la tuerca cuadrada en la rendija con sección en T del centro del banco óptico, el tornillo con cabezal plástico a través de la base de la pantalla, y roscar el tornillo en la tuerca. La pantalla se puede deslizar dentro del banco óptico siempre que el tornillo esté flojo. Colocar las dos lentes convergentes de focal +100mm. El montaje final será aproximadamente como el que se muestra en la figura 9. Fig. 9.- Montaje del sistema de dos lentes. Conseguir que un objeto situado a 15cm de la primera lente tenga un aumento de +2. Apuntar la posición de la segunda lente y la de la pantalla. 6

7 3.- Conocimientos Experimento 1 Dibujar la trayectoria de los rayos que inciden sobre un espejo cóncavo. Cuál es la relación entre la distancia focal de un espejo cóncavo cilíndrico y su radio de curvatura? Experimento 2 Dibujar cualitativamente cuál sería la trayectoria de los rayos que inciden sobre una lente bicóncava y biconvexa. Experimento 3 Hallar el desplazamiento que experimenta un rayo de luz al atravesar una lámina de 3,3cm e índice de refracción de 1,5 si el rayo incidente forma un ángulo de 45º con la normal. Calcular la variación de desviación que experimenta un rayo luminoso (δ) después de atravesar un prisma acrílico, α=45º y n=1,5, sobre el que incide con un ángulo de 45º. Calcular el ángulo crítico usando la ley de Snell y el índice de refracción para el acrílico (1,5). Experimento 4 En un sistema de óptica centrada con dos lentes convergentes de focal +100mm, conseguir que un objeto situado a 15cm de la primera lente tenga un aumento de +2. Dibujar el diagrama de rayos. 7

8 6.- Análisis Experimento 1 Según los datos obtenidos experimentalmente, cuál es la relación entre la distancia focal de un espejo cilíndrico y su radio de curvatura?. Coincide con lo expresado en la pregunta de conocimientos?. Experimento 2 La distancia focal de una lente bicóncava: es positiva o negativa? La distancia focal de una lente biconvexa: es positiva o negativa? Cómo afecta a los resultados el espesor de la lente utilizada? Experimento 3 Coincide el valor del desplazamiento obtenido teóricamente con el experimental?. Razonar las posibles discrepancias Y el valor de la desviación del rayo luminoso (δ)? Razonar las posibles discrepancias. Coincide el valor del ángulo crítico calculado teóricamente y el obtenido experimentalmente? Razonar las posibles discrepancias. Cómo cambia el brillo del rayo reflejado internamente cuando el ángulo de incidencia varía entre un valor menor y uno mayor que el ángulo crítico? El ángulo crítico: es mayor para la luz roja o la violeta?. Qué dice esto sobre el índice de refracción?. Experimento 4 En un sistema de óptica centrada con dos lentes gruesas de 8 mm de espesor, convergentes de focal +100 mm, consiga que un objeto situado a 15 cm de la primera lente tenga un aumento de +2. El índice de refracción de las lentes es de 1,5. Dibujar el diagrama de rayos. Comparar los resultados teóricos con los experimentales y razonar las posibles discrepancias. 8