do Medio > Física Refracción de la luz Refracción de la luz Propagación de la Luz Piensa y explica: Lo único que podemos ver es luz, y durante el día, nuestra fuente principal de luz es el Sol. Ciertos materiales como el aire, el agua o el vidrio permiten el paso directo de la luz, mientras que otros materiales la reflejan. Cuando la luz ingresa a un material trasparente como el vidrio, ocurren cambios en su transmisión. La figura de más abajo ilustra un atardecer, pocos minutos antes de que el Sol se oculte por completo. Aunque podamos ver el Sol sobre el horizonte y estar seguros de que se encuentra en esa posición y no otra, encontrarás paradójico saber que el Sol no está ubicado en esa posición, sino un poco más abajo. Cuando veas el Sol en un atardecer, piensa que está ubicado un poco más abajo de la posición en que realmente lo ves. Responde en el cuadro de más abajo: Por qué crees que el Sol se ve más arriba de lo que debería estar? Justifica tu respuesta.... el espejismo es una ilusión óptica en la que objetos lejanos parecen reflejados en el pavimento y ocurre sólo en días soleados y calurosos. Consúltalo: Escribe aquí tu predicción. La imagen anterior, del automóvil en la superficie de la carretera Fue reflejada? Investiga en internet cuál es el fenómeno natural físico involucrado en la ilusión óptica llamada espejismo.
Red conceptual A continuación te presentamos una red conceptual donde se sintetizan los principales conceptos que estudiaremos a los largo de este módulo. Qué aprenderé? Este módulo tiene como objetivo comprender y contextualizar el concepto de refracción de la luz. Refracción Las piscinas parecen menos profundas de lo que realmente son; una cuchara al interior de una copa de agua se ve quebrada; el titilar de las estrellas; la distorsión del paisaje al mirar sobre una fuente de calor. Estos efectos se deben a la variación de velocidad que experimenta la luz cuando cambia de un medio de propagación a otro, o cuando atraviesa zonas de diferente densidad en un mismo medio de propagación. Esta variación en la velocidad de la luz debido al cambio del medio de propagación se le conoce por el nombre de refracción, cuyo efecto característico es el cambio en la dirección en que se propaga el rayo luminoso. Producto de la refracción los objetos sumergidos en el agua se ven más cerca de lo que realmente están. Las antiguas tribus ancestrales corregían este efecto óptico al momento de pescar en el río, arrojando sus lanzas a mayor profundidad respecto de la imagen que ellos tenían del pez. En la imagen puedes apreciar cómo disminuye la profundidad de los objetos sumergidos debido al fenómeno de refracción. La imagen del pez se desvía al momento de salir del agua (línea continua) y la proyección de este desviamiento hacia el agua (línea segmentada) provoca que la posición aparente quede situada más arriba de la posición real.
Índice de refracción Antiguamente se creía que la luz se propagaba de manera infinita, y no se tuvo una idea sobre su rapidez hasta fines del siglo XVII. El astrónomo danés Olaus Roemer fue el pionero en demostrar en 675 que la luz se propagaba de manera finita, haciendo mediciones cuidadosas de los períodos de la Luna de Júpiter. Hoy en día se sabe que la luz se propaga por el vacío a una rapidez aproximada de 300 mil kilómetros por segundo y que esa rapidez disminuye dependiendo de la características del medio trasparente en el cual se propague. La tabla izquierda muestra algunos ejemplos de la rapidez de la luz en distintos materiales transparentes. En el vacío, la luz se propaga a su mayor rapidez, pero si se propaga en medios materiales, su rapidez se reduce considerablemente conforme a su índice de refracción. Se conoce como índice de refracción (n) de un medio material al cociente entre la rapidez de la luz en el vacío y la rapidez de la luz en dicho material. Así, el índice de refracción del diamante es: 300.000 km n s,4 3.967 km s El índice de refracción es un valor adimensional mayor que, pues la rapidez de la luz en el vacío es de 300.000 (km/s), mientras que en un medio material siempre es inferior. Calcula y registra en el siguiente cuadro el índice de refracción de los materiales de la tabla anterior, usando criterios de aproximación, de manera que quede con dos decimales. Índice de refracción de distintos materiales. Material. n. Aire. Agua. Etanol. Cuarzo. Vidrio Crown. Vidrio Flint. Diamante. 3
Ley de Snell Cuando un rayo de luz monocromático pasa desde un material trasparente (material ) formando un ángulo con la normal (línea punteada) a otro material transparente (material ), éste se desvía en un ángulo menor que siempre y cuando n sea menor que n (figura izquierda). En otras palabras, el ángulo que forma el rayo refractado con la normal será menor que el ángulo que forma el rayo incidente con la normal si el material tiene mayor índice de refracción que el material. Por otro lado, si un rayo de luz pasa desde un medio transparente de mayor índice de refracción (material ) formando un ángulo con la normal, a otro material transparente de menor índice de refracción (material ), el ángulo del rayo de luz refractado será siempre mayor al ángulo del rayo incidente (figura derecha). Debes tener presente que, para el fenómeno de refracción existen dos leyes fundamentales. La primera de ellas dice que: El rayo incidente y el rayo refractado están siempre en un mismo plano. Por otra parte, la segunda ley cuantitativa, llamada ley de Snell, fue deducida por primera vez en 6 por W. Snell, un astrónomo y matemático holandés. Según Snell existe una proporción entre la razón de la rapidez y la razón de los senos de los ángulos (incidencia y refracción), de manera que: sen v sen v * Sabemos que n c v c v n, luego, v c y v c n. Reemplazando v n y v en (*) obtenemos: sen sen c n c n n sen n sen Esta última ecuación es conocida como Ley de Snell, donde n y n son los índices de refracción de los materiales (medios de propagación) y y son los ángulos de incidencia y refracción respectivos. Con esta ecuación podemos encontrar el índice de refracción de un material desconocido, midiendo los ángulos de incidencia y de refracción con un transportador y sabiendo que el índice de refracción del aire es aproximadamente. 4
Cambios físicos en la luz refractada Cuando la luz se refracta, su frecuencia permanece siempre constante, pero experimenta cambios en otras de sus propiedades cinemáticas y ondulatorias, como son su rapidez y longitud de onda. El siguiente cuadro resume los cambios que experimenta la luz cuando se refracta desde medios transparentes distintos. Si la luz ingresa a medio transparente cualquiera desde un medio de menor índice de refracción (por ejemplo, del aire al cristal) Si la luz ingresa a un medio transparente cualquiera desde un medio de mayor índice de refracción (por ejemplo, del cristal al aire) - El ángulo del refracción será menor que el ángulo de incidencia. - Disminuye la longitud de onda del rayo refractado. - Disminuye la rapidez del rayo refractado. - La frecuencia del rayo refractado es igual a la frecuencia del rayo incidente. - El ángulo de refracción será mayor que el ángulo de incidencia. - Aumenta la longitud de onda del rayo refractado. - Aumenta la rapidez del rayo refractado - La frecuencia del rayo refractado es igual a la frecuencia del rayo incidente. Aplicación: construcción de lentes. Gracias a la propiedad de refracción en medios transparentes podemos construir lentes. Sabemos que los rayos de luz se desvían al entrar a un bloque de vidrio y vuelven a desviarse al salir del mismo y esta es el concepto fundamental de la óptica geométrica. Las lentes de la imagen derecha corresponden a una lente biconvexa (converge la luz en un punto) y una lente bicóncava (diverge los rayos de luz) 5
Organizador gráfico de síntesis 6
Actividad Nº Contrasta y responde: Refracción de la luz Se cumple tu predicción inicial? (primera página). Justifica en cualquiera de ambos casos. Por qué crees que el Sol se ve más arriba de lo que debería estar? Actividad Nº Investiga y responde: Averigua en internet qué es la reflexión interna total (figura siguiente) y qué condiciones se tienen que dar (en términos de refracción) para que ocurra. 7
Actividad Nº3 Calcula y responde: Se sabe que la rapidez de la luz de una piedra preciosa es de 69.49 (km/s). Calcula su índice de refracción y a partir de ese dato busca en internet de qué piedra estamos hablando. Actividad Nº4 Calcula y responde: Desde el agua se hace incidir un rayo de luz monocromático con un ángulo de incidencia de 60º, refractándose en otro material con un ángulo de 50,6º. El índice de refracción del agua es de,33. Calcula el índice de refracción n utilizando la ley de Snell y averigua en internet a qué material corresponde. 8