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LEY DE REFLEXION:
Si un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo incide sobre la superficie de un segundo medio homogéneo, parte de la luz es reflejada y parte entra como rayo refractado en el segundo medio, donde puede o no ser absorbido. La cantidad de luz reflejada depende de la relación entre los índices de refracción de ambos medios. El plano de incidencia se define como el plano formado por el rayo incidente y la normal en el punto de incidencia. El ángulo de incidencia es el ángulo entre el rayo incidente y la normal. Los ángulos de reflexión y refracción se definen de modo análogo.
Las leyes de la reflexión afirman que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión, y que el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal en el punto de incidencia se encuentran en un mismo plano.
θ’1 = θ1
LEY DE REFRACCION:
Cuando un rayo de luz que viaja a través de un medio transparente encuentra una frontera que lleva a otro medio transparente parte del rayo se refleja y parte entra al segundo medio. La parte que entra al segundo medio se dobla en la frontera y se dice que se refracta. El rayo incidente, el rayo reflejado y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano.
Si n1 es el índice de refracción del primer medio, q 1 el ángulo de incidencia, n2 el índice de refracción del segundo medio y q 2 el ángulo de refracción, entonces se cumple la llamada Ley de Snell:
n1 sen q 1 = n2 sen q 2
REFLEXION TOTAL INTERNA:
Cuando la luz pasa de un material a otro en el cual el índice de refracción es menor, la luz se desvía alejándose de la normal, como sucede con el rayo A de la fig. 3 para determinado ángulo de incidencia, el ángulo de refracción será de 90° y en este caso el rayo refractado tocará ligeramente la superficie, sin pasar a otro medio (rayo B). El ángulo de incidencia al cual ocurre lo anterior se conoce como ángulo critico θc, de la ley de Snell, θc esta dado por:
Sen θc= (n2*sen90°) /n1 Sen θc=n2/n1 para n1>n2
Para cualquier ángulo de incidencia menor que θc habrá un rayo refractado, aunque parte de la luz tambien será reflejada en la frontera. Sin embargo, para ángulos de incidencia mayores que θc, la ley de Snell nos indica que θc es mayor que 1.0. Sin embargo el seno de cualquier ángulo nunca puede ser mayor que la unidad. Por tanto no hay rayo refractado y toda la luz se refleja, como sucede con el rayo c de la fig 3. A este efecto se le conoce como reflexión total interna, esta solo ocurre cuando la luz se intenta mover de un medio que tiene un determinado índice de refracción a un medio que tiene un índice de refracción menor.
INDICE DE REFRACCION:
Cuando un haz de luz que se propaga por un medio ingresa a otro distinto, una parte del haz se refleja mientras que la otra sufre una refracción, que consiste en el cambio de dirección del haz. Para esto se utiliza el llamado índice de refracción del material, que nos servirá para calcular la diferencia entre el ángulo de incidencia y el de refracción del haz (antes y después de ingresar al nuevo material).
Se utiliza la letra n para representar el índice de refracción del material, y se calcula por la siguiente fórmula:
n = c/ v donde c: rapidez de la luz en el vacío
v: rapidez de la luz en el medio
Es decir que es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en el medio.
Indices de refracción para algunas sustancias:
Líquidos a 20° C:
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Benceno |
Disulfuro de carbono |
Tetracloruro de carbono |
Alcohol etílico |
Glicerina |
Agua |
|
1.501 |
1.628 |
1.4611 |
1.361 |
1.473 |
1.333 |
Sólidos a 20° C:
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Circona cubica |
Diamante (C) |
Fluorita (CaF2) |
Vidrio de cuarzo (SiO2) |
Fosfuro de galio |
Vidrio óptico |
Cristal |
Hielo (H20) |
Poliestireno |
Cloruro de Sodio (NaCl) |
||
|
2.20 |
2.419 |
2.419 |
1.458 |
3.5 |
1.52 |
1.66 |
1.309 |
1.49 |
1.544 |
||
Gases a 0° C, 1atm
|
Aire |
Dióxido de carbono |
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1.000 293 |
1.000 45 |
CLASES DE PRISMAS:
Un prisma es un bloque de vidrio u otro material transparente que tiene la misma sección transversal en toda su longitud. Los prismas tienen diversos efectos sobre la luz que pasa a través de ellos.
Cuando se dirige un rayo de luz hacia un prisma, sus componentes de distintos colores son refractados en diferente medida al pasar a través de cada superficie, con lo que se produce una banda coloreada de luz denominada espectro. Este fenómeno se conoce como dispersión cromática, y se debe al hecho de que los diferentes colores de la luz tienen distintas longitudes de onda, y son más o menos frenados al pasar a través del vidrio: la luz roja es la que resulta menos frenada, y la violeta la que más.
Cuando se envía un rayo de luz hacia un prisma con un ángulo adecuado, incide internamente sobre la cara del prisma con un ángulo mayor que el ángulo crítico por lo que experimenta una reflexión total.
Prisma de ángulo recto
Prisma penta
Prisma dove
Prisma romboidal
Prisma fresnel
Prisma reflexión
Prisma amici
Prisma reversor
Prisma equilátero
Prisma visión directa
Prisma porro 2da especie
Prisma pennisi
Prisma de ángulo recto:
Utilizando la reflexión total interna: Desviación del haz 90º (igual que un espejo plano). La imagen resultante aparece invertida, pero correcta de izquierda a derecha.
Desviación del haz 180º (retro-reflector). En esta configuración el prisma se denomina de Porro. Las imágenes se invierten de izquierda a derecha, pero correctas de arriba abajo.
Disponible con recubrimiento metálico en la hipotenusa.
Alta transmisión del haz disponible con recubrimientos antirreflejantes.
Desplaza el haz en combinación con otros prismas.
De aplicación en todos los sistemas en los que se desee desviar el haz (sustituto de espejo), retro-reflexión, corrección en la orientación de la imagen en sistemas de visión.
Prisma penta:
Desviación de 90º del haz sin reflexión total interna.
La imagen mantiene su orientación original.
Las superficies reflectoras se sirven espejadas al no ser aplicable la reflexión total interna.
Alta transmisión del haz disponible con recubrimientos antirreflejantes.
La desviación del haz no es afectada por pequeños movimientos del prisma, evitando de esta manera una gran precisión en su orientación.
Acorta el camino óptico de un sistema debido a su masa de vidrio.
De aplicación en alineamiento, microscopios y cinematografía.
Prisma dove
Se aplica la reflexión total interna para rotar la imagen. Mirando longitudinalmente a través del prisma y rotándolo, la imagen rota al menos el doble que el prisma.
La imagen aparece invertida, pero correcta de izquierda a derecha - Es una versión truncada del prisma de ángulo recto.
Aberraciones esféricas minimizadas con luz colimada o paralela.
Alta transmisión del haz disponible con recubrimientos antirreflejantes.
De aplicación en todos los sistemas que requieran rotación de la imagen, visores.
Prisma romboidal
Desplaza el eje óptico paralelamente, sin cambiar la orientación de la imagen.
Alta transmisión del haz disponible con recubrimientos antirreflejantes.
De aplicación en sistemas periscopios, articulados o estereoscópicos (binoculares con ajuste interocular).
Prisma fresnel
Este prisma duplica la imagen sin rotación ni inversión.
Alta transmisión del haz disponible con recubrimientos antirreflejantes.
De aplicación en queratómetros y medidas de coincidencia.
Prisma reflexión
Estos prismas desvían el haz con precisión un ángulo conocido (30º, 45º y 60º), sin cambiar la orientación de la imagen.
Alta transmisión del haz disponible con recubrimientos antirreflejantes.
De aplicación en sistemas de visión (microscopios, telescopios).
Prisma amici
Desviación de 90º del haz.
El prisma de Amici es una versión modificada de un Angulo Recto al que se ha añadido un techo de 90º, el cual produce inversión y reversión de la imagen.
Alta transmisión del haz disponible con recubrimientos antirreflejantes.
Para otras aplicaciones se dispone de versiones con el techo recubierto metálicamente.
De aplicación en todo tipo de instrumentos de visión (telescopios terrestres, visores de tiro).
Prisma reversor
En el prisma reversor la orientación de la imagen es correcta, pero invertida de izquierda a derecha. También se denomina prisma de Abbe-Konig o prisma K.
Sustituyendo una de las caras reflectoras por un techo, el elemento se transforma en un prisma de Abbe, el cual genera imágenes invertidas, pero correctas de izquierda a derecha.
Se fabrican de una sola pieza o dos cementadas.
En ambos prismas (Abbe y Abbe-Konig), no se produce desplazamiento lateral del eje óptico, y puede ser usado con haces convergentes, divergentes o paralelos.
Prisma equilátero
Este prisma produce separación espectral. Habitualmente se fabrica en vidrio "flint" cuyo alto índice de refracción produce mayor dispersión. El vidrio "crown" produce una menor dispersión, pero mayor transmisión y es más duradero.
Alta transmisión del haz disponible con recubrimientos antirreflejantes.
De aplicación en sistemas de procesado para trabajar con información en paralelo y en color.
También se utiliza para rotar imágenes (invertidas, pero correctas de izquierda a derecha) recubriendo metálicamente una cara. En este caso funcionará óptimamente con luz paralela o colimada.
Prisma visión directa
El prisma de visión directa produce separación espectral sin desviar el haz.
Se compone habitualmente de tres prismas cementados (uno central de vidrio "flint" y otros dos exteriores de vidrio "crown").
De aplicación en sistemas de procesado alineados para trabajar con información en paralelo y en color.
Prisma porro 2ª especie
El prisma rota la imagen (aparece invertida, pero correcta de izquierda a derecha) sin desplazamiento del eje óptico.
Se compone de tres prismas de ángulo recto, del mismo material y cementados entre sí.
De aplicación en sistemas de visión en los que se requiere acortar el camino óptico, especialmente en sistemas de aumento unitario.
Prisma pennisi
La orientación de la imagen es correcta, pero invertida de izquierda a derecha, desviando el haz 45º.
Se compone de dos prismas del mismo material y cementados entre sí.
DESVIACION MINIMA EN UN PRISMA
Cuando la luz atraviesa un prisma un objeto transparente con superficies planas y pulidas no paralelas, el rayo de salida ya no es paralelo al rayo incidente. Como el índice de refracción de una sustancia varía según la longitud de onda, un prisma puede separar las diferentes longitudes de onda contenidas en un haz incidente y formar un espectro. En la figura , el ángulo CBD entre la trayectoria del rayo incidente y la trayectoria del rayo emergente es el ángulo de desviación. Puede demostrarse que cuando el ángulo de incidencia es igual al ángulo formado por el rayo emergente, la desviación es mínima. El índice de refracción de un prisma puede calcularse midiendo el ángulo de desviación mínima y el ángulo que forman las caras del prisma.
Hipótesis:
Si se varia la intensidad del láser usado en la practica los ángulos de reflexión y refracción deberían variar.
Si se realiza el experimento en diferentes momentos del día los resultados deberían variar (debido a cambios en el aire).
Si se hace la practica con un solo material pero variando la temperatura en el mismo los ángulos deberían variar para cada valor de temperatura.
La óptica es la rama de la física que se ocupa de la propagación y el comportamiento de la luz. En un sentido amplio, la luz es la zona del espectro de radiación electromagnética que se extiende desde los rayos X hasta las microondas, e incluye la energía radiante que produce la sensación de visión. La energía radiante tiene una naturaleza dual y obedece leyes que pueden explicarse a partir de, los llamados fotones o a partir de un tren de ondas transversales; el fotón explica las interacciones de la luz con la materia que producen un cambio en la forma de energía, mientras que el concepto de onda transversal explica como se propaga la luz.
La velocidad de una onda electromagnética es el producto de su frecuencia y su longitud de onda; en el vacío, la velocidad es la misma para todas las longitudes de onda, la velocidad de la luz en las sustancias materiales es menor que en el vacío, y varía para cada una de las distintas longitudes de onda; este efecto se denomina dispersión. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de una longitud de onda determinada en una sustancia se conoce como índice de refracción de la sustancia para dicha longitud de onda.
Las leyes de reflexión y refracción de la luz suelen deducirse empleando la teoría ondulatoria de la luz de Huygens, El principio de Huygens afirma que todo punto de un frente de onda inicial puede considerarse como una fuente de ondas esféricas secundarias que se extienden en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda que el frente de onda del que proceden. Con ello puede definirse un nuevo frente de onda que envuelve las ondas secundarias y ya que la luz avanza en ángulo recto a este frente de onda, el principio de Huygens puede emplearse para deducir los cambios de dirección de la luz. Cuando las ondas secundarias llegan a otro medio u objeto, cada punto del límite entre los medios se convierte en una fuente de dos conjuntos de ondas, el conjunto reflejado vuelve al primer medio, y el conjunto refractado entra en el segundo medio.
En la óptica geométrica se prescinde de la teoría ondulatoria de la luz y se supone que la luz no se difracta, a partir de estos principios trabajaremos en el laboratorio para corroborar esta teoría.
VARIABLES A MEDIR
r(ángulo de reflexión),θ
θ
i(ángulo de refracción)θ
i(ángulo de incidencia)VARIABLES A HALLAR
n (índice de refracción del acrílico y del prisma)
θ
c(ángulo critico)θ
Angulo de desviación mínima del prismaFORMULAS
n1 sen q 1 = n2 sen q 2
n1: Indice de refracción del primer medio
n2: índice de refracción del segundo medio
q 1 : ángulo de incidencia
q 1 : ángulo de refracción
θ’1 = θ1 θ1 ángulo de incidencia
θ’1 ángulo de reflexión
n=c/v
n: índice de refracción
c: rapidez de la luz en el vacío
v: rapidez de la luz en el medio
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