FISICA II (TC) 1er Sem 10-11 - laboratorio-fisica-ii-ucab

UNIVERSIDAD CATOLICA ANDRES BELLO
FACULTAD DE INGENIERIA – DEPARTAMENTO DE FÍSICA
LABORATORIO DE FÍSICA II – TELECOMUNICACIONES
OPTICA GEOMÉTRICA
En la práctica anterior se trabajó con una onda de naturaleza mecánica como es el sonido. La
presente práctica y la próxima considerarán otro tipo de onda, la onda electromagnética, que es
fundamental en el área de telecomunicaciones. En particular, se usará luz ya que el único tipo de
onda electromagnética perceptible directamente por nuestros sentidos.
ONDAS ELECTROMAGNETICAS
Las ondas electromagnéticas son ondas tridimensionales de tipo transversal, donde la perturbación
está constituida por campos eléctricos y magnéticos que oscilan armónicamente en fase,
perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación.
La velocidad de cualquier onda electromagnética es constante e independiente de la frecuencia. En
particular, en el espacio libre la velocidad toma su valor máximo denotado con la letra c:
c =  f = 2.9979x108 m/s
donde  es la longitud de onda y f es la frecuencia.
En toda onda electromagnética pueden ocurrir cinco procesos básicos: reflexión, refracción,
interferencia, difracción y polarización,
ESPECTRO ELECTROMAGNETICO
El espectro electromagnético se extiende desde la radiación cósmica hasta las ondas largas de radio,
pasando, en el sentido de las longitudes de onda crecientes, por rayos gamma (), rayos-x,
ultravioleta (UV), luz visible (V), infrarrojo (IR), microondas (MW), y ondas de radio que incluyen
ondas cortas (SW), televisión (TV), radio de frecuencia modulada (FM) y amplitud modulada (AM).
(tomado de Wikipedia, la enciclopedia libre)
Las diferentes regiones del espectro electromagnético no tienen límites bien definidos, por ejemplo, el
espectro visible se considera como el rango comprendido entre las longitudes de onda de 430 nm a
690 nm, valores que corresponden a los límites, para los cuales, la sensibilidad del ojo promedio se
reduce a 1% de su valor máximo
Aunque todas las radiaciones electromagnéticas son similares y difieren solo en sus longitudes de
onda, el término luz se utiliza para el espectro visible y sus zonas adyacentes: ultravioleta e infrarrojo.
En el espectro visible la variación en la longitud de onda, y en consecuencia la frecuencia, se refleja
en el cambio del color, desde el violeta hasta el rojo. El espectro visible ocupa una porción mínima de
todo el espectro electromagnético.
OPTICA GEOMETRICA
La luz, en su interacción con la materia, muestra un carácter dual: ondulatorio (onda
electromagnética) y corpuscular (fotón). En la Óptica Geométrica, el comportamiento de la luz se
estudia a nivel macroscópico y la descripción correspondiente puede hacerse analizando la
trayectoria de partículas.
En el caso particular de la luz visible, el mas importante de los instrumentos ópticos es el ojo
humano, el cual consiste de un complicado sistema, donde la formación de imágenes a nivel de la
retina puede ser explicada por los principios de la Óptica Geométrica, la cual se fundamenta en
considerar la propagación rectilínea de ondas electromagnéticas a gran distancia de la fuente, cuyas
trayectorias son descritas por líneas paralelas a la dirección de propagación, perpendicular al frente
de ondas, que son denominadas rayos. Esta descripción de rayos se puede utilizar para considerar
los fenómenos de reflexión y refracción.
La velocidad de la luz en cualquier material es siempre menor que en el espacio libre. La relación
entre la velocidad de la luz en el espacio libre y la velocidad de la luz en un medio se llama índice de
refracción absoluto del medio:
n = c/v
y por su definición, n será siempre un número mayor que 1. Valores típicos para el índice de
refracción en algunos materiales son: agua (1.33), cristal crown (1.52).
REFLEXION Y REFRACCION DE LA LUZ
Si se hace incidir un haz de luz sobre la superficie de separación entre
dos medios homogéneos e isótropos se encuentra que el haz
incidente se divide, en general, en un haz reflejado y otro haz
refractado (transmitido), El porcentaje de luz refractada (y por
consiguiente de reflejada) depende de las características del segundo
medio. Las direcciones del haz reflejado y el refractado cumplen las
siguientes condiciones geométricas:
1.
El rayo reflejado y el refractado están en el plano formado por el rayo incidente y la línea
perpendicular (usualmente llamada normal) a la superficie de separación.
2.
El ángulo de incidencia  i es igual al ángulo de reflexión  r (ambos ángulos medidos con
respecto a la normal a la superficie, en el punto de incidencia):
i = r
3.
Los ángulos de incidencia y de refracción (ambos ángulos medidos con respecto a la
normal a la superficie, en el punto de incidencia) están relacionados mediante una
expresión conocida como Ley de Snell:
n1 sen  i = n2 sen  r
donde n1 y n2 son los índices de refracción del primer medio (incidente) y el segundo medio
(refractante) respectivamente.
En la foto el haz que sale de la fuente incide desde el aire
(primer medio) con un ángulo de 60º sobre el lado plano de
un semidisco de vidrio (segundo medio), justo en el centro
de curvatura y se refracta emergiendo por el lado curvo con
un ángulo de 35º (se acerca a la normal).
Note que hay un débil haz reflejado hacia la parte superior
derecha con un ángulo de 60º igual al de incidencia.
Note también que como el haz refractado sale del centro de curvatura,
sigue una trayectoria radial y por lo tanto no se vuelve a refractar al salir
por el lado curvo nuevamente hacia el aire (por qué ?).
(tomado de Wikipedia, la enciclopedia
libre)
Un caso de interés particular ocurre cuando el índice de
refracción del segundo medio n2 es menor que el del
primero (n2 < n1). Por la ley de Snell:
sen  i n2

 1  r  i
sen  r n1
el rayo refractado se aleja de la normal. Si se aumenta el
ángulo de incidencia, se llegará a una condición donde el
haz refractado saldrá rasante a la superficie, r = 90°
El ángulo de incidencia que cumple la condición anterior se
llama ángulo crítico c y, obviamente, sen c = n2/n1. Para
ángulos de incidencia mayores que c ya no ocurre
refracción y el fenómeno observado se denomina reflexión
total interna.
En la foto el haz que sale de la fuente incide desde el aire
sobre el lado curvo de un semidisco de vidrio, en dirección
al centro de curvatura (trayectoria radial). Considerando
ahora el semidisco de vidrio como primer medio, solo se
observa reflexión total interna desde el lado plano con el
mismo ángulo de incidencia de 50º, no hay refracción hacia
(tomado de Wikipedia, la enciclopedia
el aire (segundo medio) por debajo del lado plano.
libre)
Una de las grandes aplicaciones del fenómeno de reflexión total interna es la transmisión de luz de un
punto a otro del espacio a través de materiales especiales en forma de fibras. Si el diámetro de la
fibra óptica es grande comparado con la longitud de onda de la luz incidente, se puede explicar la
conducción a partir del efecto de reflexión total interna. La luz que incide en las paredes internas de la
fibra será totalmente reflejada siempre que el ángulo de incidencia, para cada reflexión, sea mayor al
ángulo crítico c , lo que lleva también a un valor límite del ángulo de incidencia sobre el comienzo
de la fibra,  imax , por encima del cual no se alcanza el ángulo crítico en las paredes internas de la
fibra.
MEDIOS REFRINGENTES
El uso de lentes correctores permite que personas cuya visión natural es de imágenes
borrosas o distorsionadas puedan observar nítidamente lo que está a su alrededor. También la
combinación de lentes apropiadas se usa en instrumentos como el telescopio para la
observación de objetos distantes, el microscopio para ver en detalle objetos muy pequeños, la
cámara fotográfica, y un gran número de otros instrumentos. En general, una lente es un medio
refringente delimitado por dos superficies cuyas curvaturas influyen en sus características.
También es de interés considerar situaciones donde la geometría de las superficies limitantes es
plana, por ejemplo, el caso de un prisma trapezoidal delimitado por un par de caras planas paralelas y
otro par de caras planas no paralelas.
Un haz luminoso que incide sobre una de las caras planas paralelas y
emerge por la otra cara plana paralela, lo hará en la misma dirección del
haz incidente, pero desplazado paralelamente una cierta cantidad que
depende del ángulo de incidencia, del índice de refracción del material y de
la separación entre las caras paralelas. El efecto de refracción producido en
la primera cara se compensa en la segunda.
Si por el contrario, la incidencia se produce cerca de un
vértice, de manera que la cara por donde emerge el haz no
sea paralela a la cara por donde incide, se pone entonces
de manifiesto el fenómeno de dispersión, que permite la
separación de la luz en sus distintos componentes de
colores. Este fenómeno es consecuencia de que el índice
de refracción en el material depende ligeramente de la
(tomado de Wikipedia, la enciclopedia
longitud de onda n = n() .
libre)
PARTE EXPERIMENTAL
Un aspecto fundamental de cualquier montaje óptico es la
alineación correcta de todos sus componentes, por lo que
es necesario ser bastante cuidadoso al hacer la instalación
respectiva.
Para esta primera práctica el montaje experimental consistirá en una
base circular, conocida como disco de Hartl, colocada horizontalmente
sobre un banco óptico. En el disco de Hartl se pueden colocar
elementos ópticos de diferentes formas geométricas y en su periferia
tiene una escala en grados que permite medidas angulares. Como
fuente luminosa se usará una fuente de luz incandescente soportada
convenientemente sobre el banco óptico. El sistema debe ser alineado
de forma tal que el haz de luz corra horizontalmente pasando por el
centro del disco de Hartl rozando la superficie horizontal del mismo.
1.
REFLEXION
1.a. Coloque el espejo sobre el disco de manera que la superficie de su lado plano quede
perpendicular al haz incidente justo sobre el centro del disco. Si la alineación ha sido bien
hecha, el haz reflejado debe observarse muy cerca de la boca de salida de la lámpara
incandescente. De no ser así, debe reajustar la alineación.
1.b. Proceda a girar la base del disco de 10° en 10°. Observe la dirección y forma del haz reflejado.
Mida el ángulo de reflexión  r para distintos ángulos de incidencia  i.
2.
REFRACCION
2.a. Con los valores numéricos mostrados en la primera foto determine el índice de refracción del
semidisco de vidrio usado en dicha foto.
2.b. Coloque el semidisco plástico de forma que su lado plano quede perpendicular al haz incidente
justo sobre el centro del disco. Si procede a girar la base del disco debe observar dos haces
emergentes: uno reflejado desde el lado plano y otro refractado que atraviesa el semidisco y
sale por el lado curvo (tal como en la foto). A partir de la posición inicial gire la base del disco de
10° en 10° y proceda a medir los ángulos de reflexión y refracción correspondientes y calcular el
índice de refracción para cada posición. Determine el índice de refracción promedio y su
incertidumbre absoluta (desviación estándar) n  n .
2.c. En el experimento anterior vuelva a colocar la condición inicial y gire entonces la base del disco
180° a fin de que la incidencia inicial se dé por el lado curvo. Girando nuevamente la base del
disco debe volver a observar dos haces emergentes que atraviesan previamente el semidisco:
uno reflejado interiormente desde el lado plano y otro refractado que sale por el lado plano
hacia el aire. Describa que ocurre al ir girando el disco y cuál es la diferencia con el experimento
anterior 2.b.
3.
REFLEXION TOTAL INTERNA
3.a. Partiendo del resultado obtenido en el punto 2.a. para el índice de refracción del semidisco de
vidrio de la foto, calcule el ángulo crítico correspondiente. Cómo se compara este valor con el
ángulo de incidencia observado en la segunda foto ?
3.b. Una vez hecha su observación en el experimento 2.c., proceda a determinar el ángulo crítico c
para que se dé la reflexión total interna en el semidisco de vidrio y, a partir de él, calcule el
índice de refracción del material n . Compare con el valor obtenido en el punto 2.b.
4.
DOBLE SUPERFICIE REFRINGENTE PLANA
4.a. Coloque el prisma trapezoidal de manera que el haz incida en su zona central sobre una de las
caras paralelas, perpendicular a dicha cara. Gire la base del disco 45° y describa qué ocurre
con el haz emergente.
4.b. Coloque ahora el prisma trapezoidal de manera que el haz incida cerca del vértice agudo.
Observe el haz emergente. Describa cómo es la secuencia de colores en relación a la dirección
de incidencia original.
REFERENCIAS
Serway-Beichner I (34.7 ; 35.1 , 35.4 , 35.7) Resnick-Halliday-Krane I (41.1 ; 42.1 42.2 ; 43.2 , 43.6)
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