tp refractometría - Campus Virtual FFyB

TP. REFRACTOMETRÍA/
Versión 3.2/
MÓDULO 4/
CÁTEDRA DE FÍSICA/
FFYB/
UBA/
TP. REFRACTOMETRÍA 3.2/ M4/ FISICA
TP REFRACTOMETRÍA
Antes de comenzar a trabajar deben leer detenidamente la Guía de Fundamentos de
Refractometría.
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Para el correcto uso de un refractómetro leer el Anexo: Refractómetros.
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Para complementar la información presente en esta sección recomendamos ver el Video de
Refractometría disponible en el campus virtual.
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PARTE 1 / COMPROBACIÓN EXPERIMENTAL DE LAS LEYES DE REFLEXIÓN
Y REFRACCIÓN
OBJETIVOS
-
Calcular el índice de refracción de una placa de acrílico mediante dos métodos.
-
Comprobar experimentalmente la Ley de Snell.
-
Observar los fenómenos de reversibilidad del camino óptico y la reflexión total interna de un
rayo luminoso.
MATERIALES
 semicilindro de acrílico (largo: 10,0 cm ; diámetro: 5,0 cm ; altura: 0,5 cm)
 puntero láser
 hojas milimetradas
 lápices de distintos colores
1.- CÁLCULO DEL ÍNDICE DE REFRACCIÓN DEL ACRÍLICO
PROCEDIMIENTO
1) En una hoja milimetrada dibujar los ejes de coordenadas X e Y. Aproximadamente 10 cm cada
eje.
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2) Apoyar la base semicircular de la placa acrílica sobre la hoja milimetrada de modo tal que el
punto medio de la cara plana rectangular del acrílico quede ubicado en la intersección de los
ejes (Figura 1).
3) Realizar un trazado previo de los rayos incidentes. Para ello, en alguno de los 2 cuadrantes
(donde no se encuentra apoyada la placa) marcar un punto A1 que, junto con el punto de
intersección de los ejes (0), determina una recta que corresponderá a la marcha del rayo
incidente A1. Repetir esta operación 4 veces variando la posición de los puntos (A2, A3, A4, A5),
de manera tal de determinar 5 ángulos diferentes de incidencia. Trazar los rayos incidentes en
intervalos regulares, de modo que estén homogéneamente distribuidos y abarquen todo el
cuadrante. La Figura 2 lo ejemplifica con el trazado de los rayos A2 y A4, pero se deben trazar
para todos los rayos. Recordar utilizar distintos colores o trazos para identificar cada uno de
los rayos.
4) Estando el recinto sin iluminación, dirigir la luz del láser desde uno de los puntos marcados, por
ejemplo A1, y hacerla incidir en el centro de la cara plana (punto 0 en la Figura 3a). Marcar con
un punto C1 (del mismo color que el punto de partida) la salida del rayo refractado del otro lado
de la placa. Marcar con otro punto B1 la dirección del rayo reflejado (ver Figura 3b)
5) Trazar
,
y
, de manera tal de formar 3 rectas del mismo color, y que corresponderán al
rayo incidente, al reflejado y al refractado respectivamente (ver Figura 3).
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6) Repetir los ítems 4) y 5) para los otros rayos incidentes, un color distinto para cada nuevo rayo.
7) Calcular el seno del ángulo de incidencia, midiendo con una regla la distancia desde el extremo
del rayo incidente (por ejemplo A1) al eje Y, y la distancia desde el extremo del mismo rayo al
punto 0. Calcular el cociente y obtener el sen î. Con el mismo procedimiento calcular el SENO
del ángulo de refracción (ver Figura 4).
Ecuación 1
Ecuación 2
8) Graficar
. Obtener la pendiente del gráfico. Luego buscar el índice de refracción
(n) del aire en el Handbook, y aplicando la ley de Snell calcular el índice de refracción del
acrílico.
Ecuación 3
Ecuación 4
Donde m = pendiente del gráfico
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9) Discutir la comprobación de la ley de Snell a partir de la relación entre el seno del ángulo
incidente y el seno del ángulo refractado.
2.- OBSERVACIÓN DEL FENOMENO DE REFLEXIÓN TOTAL DEL RAYO. OBTENCIÓN
DEL ÁNGULO LÍMITE
PROCEDIMIENTO
10) Hacer incidir un rayo en el centro de la cara curva de manera que atraviese la placa, por el eje
Y, y pase por 0. Observar que sucede (ver Figura 5a).
11) Recorrer el perímetro de la cara curva incidiendo con distintos ángulos (desde la normal hacia el
eje X). Observar el rayo reflejado dentro de la placa y el rayo refractado, que sale por la cara
plana. Realizar este procedimiento hasta lograr la salida de un rayo rasante a la arista de la
placa. Marcar la posición del rayo incidente D para esa situación (ver Figura 5b).
12) Calcular ahora el seno de este ángulo, que es el ángulo límite (Ver Guía de Fundamentos
de Refractometría) y con el dato del índice de refracción del aire calcular el índice de
refracción de la placa acrílica utilizando la ley de Snell. Informarlo y compararlo con el
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valor de índice obtenido utilizando el procedimiento anterior (1).
13) Comprobar qué sucede al incidir en el punto 0 con un ángulo de incidencia mayor al ángulo
límite. Interpretar los resultados.
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3.- COMPROBACIÓN DEL PRINCIPIO DE REVERSIBILIDAD ÓPTICA
PROCEDIMIENTO
14) Colocar nuevamente la placa en la posición indicada en el ítem anterior (2).
15) Desde el extremo de uno de los rayos refractados (C) dibujados en la parte 1 (ver Figura 3),
hacer incidir la luz del láser sobre la placa, siguiendo la dirección de dicho rayo. Observar la
salida del rayo por la cara plana de la placa e interpretar los resultados.
PARTE 2 / REFRACTOMETRÍA
OBJETIVOS
-
Controlar la calibración de la escala del refractómetro de Abbe.
-
Determinar la relación entre el índice de refracción y la concentración de soluciones de
propilénglicol e isopropanol.
-
Determinar la concentración de soluciones incógnitas de propilénglicol e isopropanol.
MATERIALES
 Refractómetro de Abbe (Ver Modelo 1 y 2 en Anexo: Refractómetros).
 Sistema de iluminación.
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 Propilénglicol e isopropanol puros y soluciones acuosas de los mismos en las siguientes
concentraciones: 20%, 40%, 60%, 80% (V/V).
 Agua destilada.
 Soluciones acuosas de propilénglicol e isopropanol de concentración desconocida.
PROCEDIMIENTO
1. La primera operación a realizar con el refractómetro de Abbe consiste en controlar la
posición de su escala a través de la medida de índices de refracción conocidos a la
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temperatura de trabajo (Ver Anexo: Refractómetros).
Se utilizarán como controles: agua destilada, propilénglicol (100%) e isopropanol (100%); las
medidas se realizarán por triplicado, y luego se compararán los promedios de los valores obtenidos
con los valores de referencia para la temperatura a la que se hicieron las determinaciones.
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En el Handbook solo se encuentran valores de n para algunas temperaturas, por lo que se deberá
analizar la validez del control. Aquí se presenta parte de la tabla del libro de Constantes:
Temperatura
n agua
n propilénglicol
n isopropanol
(±1 °C)
(±0,0001)
(±0,0001)
(±0,0001)
20
1,3330
1,4324
1,3776
25
1,3325
1,4310
1,3750
2. Realizar las medidas de índice de refracción de las distintas soluciones acuosas de propilénglicol e
isopropanol de concentraciones V/V: 20%, 40%, 60%, 80% y 100%, por duplicado.
3. Graficar n = f (concentración) para cada alcohol, donde el n será el promedio de los dos datos.
Estudiar el tipo de relación existente entre n y concentración para ambos casos, y buscar la
ecuación que mejor ajuste a los datos experimentales.
4. Realizar por quintuplicado las medidas de índice de refracción de las soluciones de
concentración desconocida. Interpolar cada valor de n medido en el gráfico correspondiente,
obteniendo un valor de concentración para cada medida realizada (5 valores por cada solución
incógnita).
INFORME DE RESULTADOS
Se informará la relación matemática de n = f (concentración) encontrada para cada uno de los
alcoholes empleados.
Para las muestras se informará el promedio de concentración ± 2S.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
En la PARTE 1:
 ¿Qué ocurre cuando el rayo atraviesa la cara curva de la placa de acrílico? ¿Se refracta?
 ¿Cómo es el ángulo de incidencia con respecto al de refracción? ¿Era esto lo que esperaba
conociendo la Ley de Snell?
 A medida que aumenta el ángulo de incidencia, ¿qué ocurre con el ángulo de reflexión? ¿Y
con el de refracción? ¿Era esto lo que esperaba conociendo la Ley de Snell?
 ¿Cuál le parece que es el mejor procedimiento para obtener el n del acrílico, el método 1 o
el 2?
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 ¿Cómo es el n del acrílico con respecto al del aire? ¿A qué se debe?
 ¿Podría encontrar un ángulo límite invirtiendo la marcha de rayos?
En la PARTE 2:
 ¿Cómo es el n a medida que aumenta la concentración? ¿A qué se debe?
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