Experimento: reflexión y refracción de la luz

Autor: S. Gil y E. Rodríguez.
Fuente: Física re-creativa.

Para cursos “un poquito” avanzados. El objetivo de este experimento es el estudio de las leyes de la reflexión y la refracción de la luz.
Cuando un haz de luz incide sobre la superficie que separa dos medios, en los cuales la velocidad de la luz es diferente, parte de la misma se transmite y parte se refleja. El objetivo de estos experimentos es estudiar la relación entre el ángulo de reflexión, y el ángulo de refracción en función del ángulo de incidencia.
Para la realización de este experimento se sugiere usar el dispositivo indicado esquemáticamente en la figura, consistente en un recipiente de acrílico semicilíndrico de radio R y altura h que puede ser llenado con distintos líquidos transparentes o bien de acrílico o vidrio macizo.
Tomaremos el punto O, coincidente con el centro del semicilindro como origen de coordenadas y la cara plana del semicilindro definirá el eje x de coordenadas.
Usando este dispositivo, investigar la relación entre los ángulos de reflexión y refracción en función del ángulo de incidencia. Una sugerencia para facilitar este estudio consiste en usar tres alfileres para marcar posiciones por donde pase la luz: Uno en la posición A (cuyas coordenadas son (x,y)) otro en O (centro del semicilindro, justamente fuera del mismo) y el tercero en la posición E (cuyas coordenadas son (x’,y’)), que se elige de modo que al observar los tres alfileres todos aparezcan alineados al observarlos horizontalmente. Para esto es conveniente colocar el semicilindro encima de una tabla blanda (madera aglomerada), corcho o cartón blando, que permita la penetración de alfileres fácilmente. Para proceder, mantener el alfiler del centro de semicilindro (O) fijo, colocar el alfiler en la posición A (que define el ángulo de incidencia) y mirando desde el lado curvo del semicilindro, colocar el alfiler en la posición C de modo de ver a los tres alfileres alineados.
Cuando se haya logrado tal alineación, registrar el valor de las coordenadas (x,y) y (x’,y’). Repetir el experimento de modo que el ángulo de incidencia varíe desde 0º hasta 80º en pasos de aproximadamente 10º. Si se dispone de un puntero láser (o un láser común), hacer incidir el láser de modo que el haz incida en la dirección definida por AO, y verificar que el haz refractado pase efectivamente por el punto E.
Para estimar los errores en las determinaciones de los ángulos, variar ligeramente la posición de los alfileres, de modo tal que, a simple vista, los mismos parezcan que siguen alineados. Los intervalos de ángulos para los que esta condición de alineación se sigue cumpliendo dan una estimación de los errores cometidos en la determinación de los mismos.
Seguidamente, invertir la dirección de incidencia, es decir, hacer que el haz incida pasando por la dirección EO y verificar que el mismo pasa por A. Esta propiedad notable de la luz se conoce como el principio de reversibilidad óptica, que establece que, en ausencia de absorción, si se invierten la dirección de la marcha de los rayos de luz, las trayectorias no se alteran. Más generalmente, este principio es una consecuencia del principio de reversibilidad temporal de las ecuaciones de la física.
Realizar el mismo estudio anterior pero con el rayo reflejado. Para ello usando un puntero láser incidiendo en la dirección AO, determinar las coordenadas (x”,y”) del punto B.
Representar en un gráfico los datos. Analizar las distintas dependencias y discutir las conclusiones.
¿Qué se puede decir acerca de la validez de la Ley de Snell para la refracción de la luz? A partir del gráfico determinar el índice de refracción de la luz en el material del semicilindro. Comparar el valor obtenido en el experimento con los valores obtenidos de tablas para este material.
¿Qué conclusiones extrae de este experimento? Explicar.

Contiene cálculos y fórmulas demostrativas.

Para descargar este experimento hacer clic aquí: http://www.mediafire.com/?mikerakngn81c5z